羅姆為電動汽車充電樁打造高效解決方案

引言

全球能源短缺和大氣污染問題日益嚴峻,汽車產(chǎn)業(yè)綠色低碳發(fā)展已成為降低全社會碳排放、增強國家競爭力的有效手段。作為領(lǐng)先的功率半導(dǎo)體廠商之一,羅姆一直致力于技術(shù)創(chuàng)新,研發(fā)各種高效、高品質(zhì)的功率器件,為大功率智能充電站提供安全可靠的解決方案,在支持綠色出行的同時助力全面低碳社會的可持續(xù)發(fā)展。

縮短充電時間的高輸出挑戰(zhàn)

對電動汽車車主來說,縮短充電時間是非常重要的訴求,而大功率充電是其中關(guān)鍵的支撐技術(shù)。提升續(xù)航距離需要増加電池容量,為縮短充電時間,需要高輸出能力的充電樁,如360kW的充電樁要搭載9個40kW的電源模塊。在電路拓撲方面,單向充電樁使用三相Vienna整流LLC電路?；诩冸妱榆噷﹄娋W(wǎng)、家庭供電的需求,雙向充電樁也趨于使用三相B6-PFC+雙有源橋電路。

無論哪一種充電樁,客戶都在一如既往地重視高品質(zhì)的同時,隨著輸出功率的提高而追求高效化和熱管理。對此,羅姆以功率器件為中心提供各種解決方案,滿足各種客戶需求。根據(jù)使用器件的不同,羅姆提供兩類充電樁解決方案。一是碳化硅器件解決方案,適用于追求高效、小型化的大功率充電樁。二是硅器件解決方案,包括相對于碳化硅器件來說性價比較好的超級結(jié)MOS和IGBT。

·針對單向充電樁:面向大功率Vienna PFC+LLC電路拓撲的方案

Vienna整流+LLC構(gòu)成了充電樁的基本電路。如果考慮設(shè)備成本,羅姆推薦使用硅器件、FRD(快恢復(fù)二極管)方案;如果需要高功率密度和高效率,則推薦使用碳化硅 MOS/SBD方案。

Vienna PFC+LLC電路和器件示例

PFC部分更適合使用碳化硅器件,理由有二:其一,高溫時導(dǎo)通電阻增加較少,能實現(xiàn)高效率,同時可抑制發(fā)熱,使用更小的散熱板;其二,碳化硅器件的恢復(fù)損耗非常小,開關(guān)損耗較小,能夠提高工作頻率,有助于輸入線圈的小型化。作為硅器件解決方案,也可以使用具有高速開關(guān)的羅姆SJ-MOSFET“R65xKN系列”以及IGBT“RGW系列”。

Vienna PFC拓撲推薦器件

其次,對于LLC部分,羅姆通過高耐壓1200V 碳化硅MOS來削減部件個數(shù)。通過將1200V 碳化硅MOS應(yīng)用于LLC部分,可以將Stack型的LLC電路變更為下述Single型。具備高耐壓、高速開關(guān)特點的碳化硅器件給Single LLC帶來以下優(yōu)點:

·減少功率器件數(shù)量,節(jié)省空間,簡化電路,降低故障率;

·減少控制元件數(shù)量,簡化驅(qū)動電路,減少MCU使用數(shù)、減少端口數(shù)。

碳化硅MOS可以實現(xiàn)Single LLC的優(yōu)勢

·針對雙向充電樁:面向三相B6-PFC電路拓撲的解決方案

羅姆針對雙向充電樁的三相B6-PFC拓撲的方案使用1200V 碳化硅MOS,它具有以下優(yōu)點:

·受高溫影響小;

·高速恢復(fù)性能有助于可實現(xiàn)輸入線圈、絕緣變壓器的小型化

·抑制偏共振時的破壞風(fēng)險

20kW以下使用1200V開關(guān)元器件,例如高效率的碳化硅MOSFET “SCT3xxxKx(1200V/17-95A)”或標準IGBT “RGSxxTSX2”。在20kW以上的應(yīng)用中,可以選擇全碳化硅功率模塊“BSMxxxD1xPxCxxx/Exxx/Gxxx(1200-1700V/80-600A/Half-Bridge)”,實現(xiàn)雙有源橋諧振變換器(絕緣雙向DC-DC)。

三相B6-PFC+雙有源橋電路拓撲推薦器件

·針對充電樁二次電源系統(tǒng)的解決方案

針對充電樁系統(tǒng)中的二次部分(控制器,驅(qū)動部分),羅姆也有非常多的產(chǎn)品可供選擇,其中在電源方面,有電源樹形式的提案,從HV-DCDC到DCDC或LDO。

電源樹形式的提案

2021年5月,羅姆推出了高耐壓、大電流、內(nèi)置MOSFET的降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器IC“BD9G500EFJ-LA”,既可實現(xiàn)小型高效,又確保即使受到雷電等突發(fā)性浪涌電壓也不會損壞;同時以大電流支持更多的功能。

新產(chǎn)品是非隔離型DC/DC轉(zhuǎn)換器IC,采用BiCDMOS高耐壓工藝,可提供先進工業(yè)設(shè)備所需的電源功能。適用于48V電源系統(tǒng),具有超高的80V耐壓,安全工作范圍更寬,與同等輸出電流的普通產(chǎn)品相比,耐壓提高了約20%。其足夠的余量可以應(yīng)對突發(fā)性浪涌電壓,有助于提高應(yīng)用的可靠性。

此外,還實現(xiàn)了耐壓60V以上DC/DC轉(zhuǎn)換器IC中超高的5A最大輸出電流,有助于實現(xiàn)更多功能的小型化充電樁。另外,內(nèi)置低損耗MOSFET可在2A至5A寬輸出電流范圍內(nèi)實現(xiàn)高達85%的功率轉(zhuǎn)換效率,更加節(jié)能。

與普通產(chǎn)品相比,耐壓提高約20%

助客戶研發(fā)一臂之力

在客戶開發(fā)流程的各個階段,羅姆提供全方位的應(yīng)用支持,包括器件選型、電路設(shè)計、電路驗證,到基板設(shè)計和實機驗證。羅姆還特別針對客戶在產(chǎn)品設(shè)計中比較花費工夫的3項技術(shù)提供重點支持:

·熱設(shè)計支持

通過包括印刷板在內(nèi)的熱模擬,可以在PCB發(fā)板之前驗證熱設(shè)計。如果發(fā)生熱問題,可以通過實測和模擬提出改進建議。

·EMC(噪音)設(shè)計支持

在構(gòu)想、設(shè)計、試制階段,由支持過眾多客戶、有豐富經(jīng)驗的工程師進行分析,支持客戶解決EMC問題。

·仿真技術(shù)支持

客戶可以利用羅姆官網(wǎng)上的仿真工具ROHM Solution Simulator簡單輕松地進行電路仿真和系統(tǒng)驗證。在接近實際環(huán)境的解決方案電路中,同時驗證碳化硅功率元器件和驅(qū)動IC,從而顯著縮短應(yīng)用開發(fā)周期。

綠色,“充”向未來

作為全球功率半導(dǎo)體特別是碳化硅技術(shù)創(chuàng)新的領(lǐng)導(dǎo)者之一,羅姆持續(xù)提供安全可靠的功率半導(dǎo)體解決方案,來滿足各種場景電動汽車充電需求。未來,羅姆將積極推動技術(shù)創(chuàng)新,為構(gòu)建綠色、智能、安全的充電生態(tài)提供更多安全可靠的充電解決方案,助力全面低碳社會的可持續(xù)發(fā)展。