超級(jí)結(jié)MOSFET與IGBT的電動(dòng)汽車充電方案

本文將主要介紹用于電動(dòng)汽車直流充電樁的超級(jí)結(jié)MOSFET和具成本優(yōu)勢(shì)的IGBT方案。

電動(dòng)汽車充電級(jí)和里程

充電樁按充電能力分類，以處理不同的用例場(chǎng)景。一級(jí)充電樁是120 V、輸出15 A或20 A 的交流充電樁，每充電1小時(shí)增加約4至6英里里程。二級(jí)充電功率有3.3 kW、6.6 kW、9.6 kW、19.2 kW四種功率級(jí)別，適用于輸出電流分別達(dá)20 A、20 A、50 A、100 A的240 V交流電源插座。直流快速充電(DCFC)樁的輸入電壓為440 V或480 V，能在30分鐘內(nèi)充到80%左右，用于公共充電樁。根據(jù)中國(guó)“一車一樁”計(jì)劃，電動(dòng)汽車充電樁總數(shù)在2020年將達(dá)480萬(wàn)個(gè)，電動(dòng)汽車充電工程的450萬(wàn)個(gè)總安裝量中將至少有200萬(wàn)個(gè)是大功率直流充電樁，且2020年后其它國(guó)家也將增加電動(dòng)汽車充電樁。安森美半導(dǎo)體主要提供DCFC方案。

圖1：電動(dòng)汽車充電級(jí)和里程

電動(dòng)汽車充電樁電源模塊系統(tǒng)趨勢(shì)

1. 增加輸出功率以節(jié)省充電時(shí)間

充電樁將由現(xiàn)在主流的60 kW、90 kW發(fā)展到將來(lái)的150 kW、240 kW，相應(yīng)地充電樁電源模塊將由現(xiàn)在的15 kW、20 kW、30 kW提高到將來(lái)的40 kW、50 kW、60 kW，以縮短充滿電的時(shí)間。

2. 提高功率密度以節(jié)省空間

這可通過(guò)提高開(kāi)關(guān)頻率Fsw以減少無(wú)源器件，并降低損耗以減少散熱器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3. 提高能效以節(jié)能

安森美半導(dǎo)體定位于將滿載能效從現(xiàn)在的95%提高到超過(guò)96%，超越能效法規(guī)。

4. 提高系統(tǒng)可靠性

這需要延長(zhǎng)電解電容器使用壽命和確保在有塵、潮濕、熱、寒區(qū)域等戶外安裝的高可靠性。

超級(jí)結(jié)MOSFET的優(yōu)勢(shì)和使用趨勢(shì)

轉(zhuǎn)向零排放電動(dòng)汽車等節(jié)能減排趨勢(shì)推動(dòng)對(duì)中高壓MOSFET的需求增加。平面MOSFET的導(dǎo)通電阻Rds(on)和損耗較大。且根據(jù)擊穿電壓與面積成正比，要獲得更高的擊穿電壓需要更大面積的摻雜。超級(jí)結(jié)MOSFET能夠顯著降低導(dǎo)通電阻Rds(on)和門極電荷Qg。超級(jí)結(jié)MOSFET由于電荷平衡，在相同的摻雜下，面積是2倍，因此擊穿電壓也是兩倍，且擊穿電壓與導(dǎo)通電阻近似線性關(guān)系，從而顯著降低導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗。由于超級(jí)結(jié)MOSFET在快速開(kāi)關(guān)應(yīng)用中的能效和功率密度高，常用于高端應(yīng)用。

電動(dòng)汽車充電樁架構(gòu)和安森美半導(dǎo)體的第3代超級(jí)結(jié)MOSFET方案

例如，210 kW 電動(dòng)汽車充電點(diǎn)由14個(gè)15 kW模塊組成，每個(gè)15 kW的電池充電器模塊都是由3相交流380 V輸入，經(jīng)過(guò)3相Vienna 功率因數(shù)校正(PFC)后，電壓升高到800 V直流電壓，再經(jīng)過(guò)高壓DC-DC輸出250 V至750 V直流電壓。

圖2：電動(dòng)汽車充電樁架構(gòu)

其中，3相Vienna PFC可選用安森美半導(dǎo)體的第3代超級(jí)結(jié)MOSFET (SUPERFET III)的易驅(qū)動(dòng)(EASY Drive)/ 快速(FAST)系列，多級(jí)LLC可選用SUPERFET III 快速恢復(fù)(FRFET)系列。EASY Drive系列可內(nèi)部調(diào)節(jié)門極電阻Rg和寄生電容，有極低的EMI和電壓尖峰，適用于硬/軟開(kāi)關(guān)。FAST系列有減小的門極電荷Qg和輸出電容儲(chǔ)存能量Eoss，低開(kāi)關(guān)損耗，高能效，適用于硬開(kāi)關(guān)拓?fù)?。FRFET系列集成一個(gè)高度優(yōu)化的快恢復(fù)二極管，具有超低Qrr和Trr，最小化開(kāi)關(guān)損耗并提高系統(tǒng)級(jí)可靠性，適用于軟/硬開(kāi)關(guān)拓?fù)洹?/p>