功率半导体的进步实现3级直流快速充电，解决电动汽车的里程焦虑

作者：安森美工业业务拓展Steven Shackell

目前，电动汽车的使用仍受到阻碍，主要在于“里程焦虑”问题，并且车主不愿在道路上等待数小时充电时间。然而，随着全国各地部署越来越多的充电桩，“直流快速充电”有望将等待时间缩短至数分钟。这些额定功率达350kW的大功率充电桩，必须利用最新的电源转换拓扑结构和半导体开关技术，以尽可能提高电能效来实现成本效益。本文将介绍这些大功率充电桩的典型设计方法，对功率器件的一些选择，以及最新的宽禁带半导体可带来的优势。

无可否认，电动汽车越来越被广泛接受，其销售增长率约60％[1]。然而，该分析也指出在2018年底其市场渗透率仅2.2％，因此，电动汽车要成为主流还有很长的路要走。尽管如此，制造商仍承诺，预计到2023年将有400多款电动汽车车型上市。

让人们放弃使用汽油汽车的决定受许多因素影响，其中最重要的是购置成本，还有“里程焦虑”的问题。电动汽车用于短途通勤和本地出行可能没有问题，因为家用充电器会在夜间为电动汽车“充电”。真正令人们却步的是电动汽车行驶里程一般少于300英里，这对于长途驾驶来说不够用。尤其是在充电点很少且隔得很远的地区，如果充电需要花费几个小时那么使用电动汽车就很难实行了。

即使是在家从240V AC电源为已耗尽电量的100kWh电池(如在特斯拉中)充满电也可能需要14个小时，导致第二天几乎不够时间出行。但是，随着“快速”直流充电桩的出现，充电时间将可以以分钟而不是小时来计算。

充电桩分级

在家、办公室和路边有不同的充电选择，大众可能对术语也有一些争议，但普遍认为“1级(Level1)”指使用常规120V AC家庭插座(欧洲为230/240V AC)，充电速度最慢。“2级(Level2)”指利用240V AC或有时指通过安装，内置控制和保护的充电桩使用400V AC三相。Level2提供更快的充电速率，但这仍基于家庭使用。Level1和Level2均使用车载充电器为电池产生直流电。“3级(Level3)”指从静态AC-DC转换器直接向电池进行直流充电，通常是在加油站，并需要使用三相AC电源。这种配置的最大功率为350kW，充电时间可缩减至数分钟，类似于为内燃机(ICE)车辆加油所需的时间。

图1总结了在美国电动汽车三种充电级别的表现。

图1：充电级别和性能（美国）

快速充电桩技术

功率达350kW的3级充电桩设计要求极高，低成本永远需优先考虑，然而转换能效也是关键。每浪费一瓦特就意味着更高的电费、更少的电量充电池和更长的充电时间，而过多的热损失也降低了电动汽车的环保优势。高能效还降低冷却硬件的需求，从而有助于缩减成本和尺寸。

图2展示典型的直流快速充电桩框图，并重点显示主要元素。

图2：典型的快速直流充电桩框图

几千瓦级充电桩通常使用“维也纳(Vienna)整流器”来实现三相交流整流和功率因数校正(PFC)。图3显示两种不同的拓扑。拓扑1的器件较少，能效最高，但是二极管必须使用相对昂贵的1200V类型，且六个开关需要复杂的控制。而拓扑2仅使用三个开关，控制较为简单，且二极管可以是600V类型，但因传导路径中有更多的二极管，能效较低。

在每种拓扑中，都可用高压硅(Si)MOSFET或碳化硅(SiC)MOSFET，若为了尽可能降低成本，如能将频率保持在较低水平则可考虑使用IGBT。设计充电桩的工程师可从安森美(onsemi)[2]中选择不同器件，例如，其“第4代场截止(Field Stop4)”器件可提供650V或950V额定值的低速、中速和高速版本，具有不同的饱和电压和体现动态损耗的EOFF值。在较高的额定电压下，可能需要基于IGBT的三相半桥整流器/PFC级，安森美的“超场截止(Ultra Field Stop)”1200V器件也有低速和高速版本，具有同类最佳的VCESAT和EOFF。

图3：Vienna整流器拓扑

Vienna整流器级为主DC-DC转换级产生一个稳定的高压总线，这是其中一种拓扑。图4所示的全桥交错LLC和三级LLC是最常见的实施方法。交错版本可使用650V超级结MOSFET，因每个MOSFET只有一半的电源电压。安森美的SuperFET III技术可实现这些拓扑，并分为三个版本：

“易驱动版本(EasyDrive)”

集成门极电阻以降低电磁干扰(EMI)和电压尖峰。

“快速版本(Fast)”

用于硬开关应用中实现最高能效。

“快速恢复版本(FRFET)”

集成同类最佳的体二极管，用于LLC等谐振转换器中实现最佳性能。

图4：替代转换器拓扑

为了获得更高能效和功率密度，工程师可使用900V/1200V SiC MOSFET，以在较高的开关频率下使用较小的磁性元器件，抵消较高的器件成本。高额定电压允许仅使用单个H桥，无需交错，开关数量更少，从而再次节省成本。对于成本非常敏感的应用，可使用安森美半导体的场截止系列的650V或1200VIGBT，但开关频率较低，因此磁性元器件更大且成本更高。输出二极管可以是1200V的“Stealth”或“Hyperfast”硅类型，也可以是损耗更低的1200VSiC类型。

三级LLC拓扑使用较少的二极管和开关，集成相关的隔离型门极驱动，尽管需要三个变压器，但输出纹波要低得多。同样，可使用超级结Si或SiC-MOSFET或IGBT，具体取决于对性能/成本的权衡。

宽禁带SiC器件提供广泛的性能改进

采用SiC宽禁带开关和二极管有很多好处，快速、低损耗的高压开关可减少系统成本、尺寸和重量，同时节能。实验比较了使用Vienna整流器和全桥LLC转换器的硅方案，及集成碳化硅的三相半桥整流器/PFC的全桥LLC转换器，结果显示，采用SiC版本的方案，功率吞吐量提高了25％，重量减少22％，体积减少62％，器件数减少20％，从而使产品更可靠。

封装也在发展

能否充分利用功率半导体通常取决于封装，尤其是在较高的开关频率下，引线电感等寄生效应会降低性能。安森美的创新PQFN、LFPAK和TO无铅封装能解决这一问题，同时提供了增强的热性能。为大幅减少生产装配时间和器件数，可考虑使用功率集成模块(PIM)，PIM将多个器件集成在一个封装中，包括IGBT、Si和SiC MOSFET、混合Si和SiC二极管的模块以及检测电阻等其他元器件。预集成的PIM的性能是有保证的，能消除开发风险，减少器件库存并加快了产品上市时间。

总结

最新一代功率半导体用于高能效电源转换拓扑中，赋能快速电动汽车直流充电桩设计，解决“里程焦虑”问题。安森美垂直集成了供应IGBT、Si和SiC MOSFET以及二极管的所有工艺，以提供完整的电源方案，辅以一系列全面的支持器件如模拟和数字控制器、隔离型门极驱动器、低损耗电流检测放大器和光耦合器。