近年來汽車產(chǎn)業(yè)逐漸回暖，消費者對綠色科技的興趣蓬勃，加上越來越多法規(guī)的支持，也使得對于電動汽車 (EV) 市場的預期不斷攀升。

 

習慣駕駛內(nèi)燃機引擎車輛跑上 400 英里的客戶，免不了對 EV 存在“里程焦慮”。但 EV 越來越接近于解決這項難題。最新的 EV 可達到 200 英里左右的續(xù)航里程，預計 300 英里很快也將普及。處于領(lǐng)先地位的特斯拉 S model 剛已超過了 400 英里的續(xù)航里程，而引領(lǐng)豪華 EV 潮流的新品牌 Lucid Motors 則推出了超過 500 英里續(xù)航里程的車型。

 

本文將探討碳化硅 (SiC) 技術(shù)如何在快速成長的快速充電機市場，持續(xù)滿足功率以及車網(wǎng)互聯(lián) (V2G) 的需求。

 

 

電動汽車市場可持續(xù)的成長，需要更短充電時間的充電器基礎(chǔ)設(shè)施，要在 12 到 15 分鐘內(nèi)就能充滿 80% 的容量。增加電壓可以安全地實現(xiàn)此類快速充電機所需的更高功率輸出。高電壓帶來較低的電流，從而減少了線纜中的功率損耗以及電池過熱問題，能更好地保持功率。它還能減輕重量，因為減小的線纜尺寸僅需更少的銅，從而減少了所需的空間和重量。較小的線纜尺寸也有助于降低由昂貴的銅線纜和連接器帶來的成本。

 

特斯拉汽車的 400 V “超級充電站” (Supercharger) 網(wǎng)絡(luò)掀起了這一潮流，但這還不足以實現(xiàn) 15 分鐘充電的目標。因此，導入電壓高達 800 V 的架構(gòu)發(fā)展便成為重要的趨勢 (圖1)。

 

 

圖1.  縮短充電時間的需求，帶動直流快速充電機功率性能的提升。(來源：Yole Développement, Power SiC Materials, Devices and Applications 2020)

 

保時捷的 Taycon、現(xiàn)代汽車的 Kia EV6、通用汽車的 Hummer EV 等幾種新車型均已開始采用 800 V 直流快速充電技術(shù)，Lucid Motors 更是采用了更高電壓等級的 900 V 架構(gòu)。

 

如此一來，EV 公司就需要對每項裝置進行重大修改，包括增加馬達的繞組匝數(shù)、增強導體的絕緣性，一直到重新設(shè)計功率主回路以使用耐壓高于 800 V 的最新功率器件。

 

 

充電機還必須支持的另一個重要趨勢是 V2G。隨著各家公司紛紛為強大的車載儲能系統(tǒng) (ESS) 開創(chuàng)出重要的商業(yè)模式，V2G 也緊隨著在逐步發(fā)展之中。盡管太陽能和固定式 ESS 在電氣化的未來中肯定會占有重要地位，V2G 功能在處理用電負載高峰時被寄予厚望。

 

考慮到大型的商業(yè)和工業(yè)能源消費者必須為所需的峰值功率以及較高的平均功率因子付出更多的成本，而雙向直流快速充電機可以在峰值負載時將原本要為 EV 充電的功能切換至為企業(yè)場地或電網(wǎng)供電，則為安裝該系統(tǒng)提供了一個很吸引人的商業(yè)場景。

 

例如，F(xiàn)ermata Energy 公司正在美國北卡羅萊納州 Ahoskie 市進行裝置的測試。這些裝置最終將有助于將 EV 與建筑物及電網(wǎng)的整合。其目標是將 EV 轉(zhuǎn)變?yōu)楦邇r值的 ESS 資產(chǎn)，不僅可以提高能源韌性和降低能源成本，而且最終還可以提供諸如頻率調(diào)節(jié)之類的服務。

 

從小范圍來看，這些 ESS 資產(chǎn)可以在斷電期間為消費者提供備用支援，還可以供露營者和商業(yè)承包商(包括支持遠程電視/電影拍攝等) 用作便攜式電源，或者在公用設(shè)施發(fā)生故障時提供臨時電源。而從大范圍來看，V2G 可以與國家的電網(wǎng)相連接，以緩解風能和太陽能等可再生能源供應的波動。

 

 

碳化硅 (SiC) 是實現(xiàn)高電壓快速充電機的關(guān)鍵技術(shù)。相較于硅 (Si) 器件，SiC 器件提供了多項優(yōu)勢：

 

SiC 的擊穿場強是 Si 的十倍，從而在更小的裸芯片面積上的阻斷電壓比Si更高。(目前的 SiC 可支持高達 1700 V 的 MOFSET 阻斷電壓，而 Si 基超級結(jié) MOSFET 通常在 900 V 以下。)

 

與 Si 相比，SiC 有著更低的導通電阻和斷態(tài)漏電流，因此有助于提高效率。

 

SiC 只有極低甚至沒有反向恢復電流，并且能夠以比 Si 高三到五倍的頻率進行開關(guān)，從而減小了電容器和磁性元件的尺寸和重量。

 

SiC 具備三倍高的導熱率，并且能夠承受更高的芯片溫度，從而降低了散熱要求。

 

 

 

圖2. 新的 800 V 架構(gòu)需要將器件額定電壓從 650 V 轉(zhuǎn)變成 1200 V，這會進一步拉大 Si 和 SiC 之間的性能差距，同時降低兩者之間的成本差異。(來源：Yole Développement)

 

這些特性使得 1200 V SiC 器件比 Si 絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT) 具備顯著的成本及性能優(yōu)勢 (圖2)，提供了實現(xiàn) 800 V 至 900 V 電動汽車架構(gòu)所需的更高效率、散熱管理和功率密度。這樣就不難理解為何 Yole Développement 預估充電樁采用的 SiC 將從目前約 1000 萬美元，成長到 2025 年將近 2.25 億美元的規(guī)模。

 

 

車載充電機和充電樁都包含了兩個主要模塊：用于 AC/DC 轉(zhuǎn)換的主動式前端 (AFE)，以及 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。AFE 從電網(wǎng)獲取單相或三相電力，然后輸出到直流母線，再通過 DC/DC 模塊將其轉(zhuǎn)換為電動汽車電池快速充電所需的電壓。

 

車載充電機 (OBC) 通常采用單個 3 kW 至 22 kW的模塊。充電樁則是采用 15 kW 至 30 kW 的模塊，堆疊組合實現(xiàn)目前的 150 kW，及最新目標的 350 kW。最新的 SiC 器件、封裝和電路拓撲結(jié)構(gòu)，則可在不久的將來以數(shù)量更少的 60 kW 模塊來實現(xiàn)這一目標 (圖3)。

 

 

圖3. SiC 賦能實現(xiàn)高電壓、大功率、更簡單的充電機設(shè)計。(來源︰Yole Développement, Power SiC Materials, Devices and Applications 2020)

 

 

Wolfspeed 提供了核心器件，支持 EV 市場中的這些趨勢 - 1200 V MOFSET 和肖特基二極管的豐富產(chǎn)品組合。Wolfspeed 的 1200 V 阻斷電壓第三代 (C3M) MOSFET 系列，其額定電流范圍為 7.2 A 至 115 A，導通電阻 (RDS(ON)) 為 350 mΩ 至 16 mΩ，最高結(jié)溫為 150°C 或 175 °C。

 

這些器件采用了標準 TO-247-3 以及優(yōu)化的 TO-247-4 與 TO263-7 封裝，其開爾文源極引腳連接可助力優(yōu)化這些超快 SiC 器件的性能。

 

 

Wolfspeed 還提供參考設(shè)計，可簡化設(shè)計工作并縮短產(chǎn)品面市時間。為了應對最新的 EV 充電機趨勢，公司開發(fā)了一個 22 kW 解決方案，其中包括了一個 AFE 和一個靈活的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，既可以用于車載充電機，又可以用作 DC 快速充電機的電源模塊 (圖4)。

 

 

圖4. 22 kW 雙向充電機規(guī)格

 

兩個參考設(shè)計板的結(jié)合非常獨特，可支持雙向單相和三相操作，滿足車載充電機中固定電池電壓的需求，以及適用于 DC 快速充電機的 200 V 至 800 V 可變電壓，以同時服務前代 EV 和 800 V EV。

 

AFE 和 DC/DC 設(shè)計的靈活性為工程師們開啟了新的機會，使他們還可以將目標瞄準 EV 以外的應用，例如 ESS、UPS 和其他工業(yè)電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等。

 

 

在 45 kHz 頻率下工作的 CRD-22AD12N AFE (圖5，右) 采用了一種簡單的六開關(guān)拓撲。盡管開關(guān)能支持更高的頻率，但需要權(quán)衡感應磁芯損耗和開關(guān)效率。這個拓撲可直接替代類似的6-IGBT (six-IGBT) 電路。IGBT 方案簡單又不貴，但由于 IGBT 尾電流的存在開關(guān)損耗高效率低，其頻率低至 20 kHz 以下。

 

 

圖5. 1200 V Si MOSFET 使得雙向設(shè)計僅需六個開關(guān)。相比之下，典型雙向 T-型 Si 解決方案需要三個額外的 side MOSFET，且控制也更加復雜。

 

為了實現(xiàn)高開關(guān)頻率所帶來的好處，當增加額外的 650 V Si 或 SiC 器件時，可采用 T-型 AFE 拓撲。但需要注意的是，這樣一來便要有所取舍，代價是需要更多數(shù)量的部件、復雜的控制以及更高的系統(tǒng)成本。

 

 

圖6. CRD-22AD12N 提供超過 98.5% 效率

 

CRD-22AD12N 采用了 TO-247-4 封裝的 1200 V、32 mΩ C3M0032120K SiC MOSFET，以及基于 KAM 材料的 PFC 電感 ，提供相對低的200 kW/m3 功率損耗密度(Pv)、68% 的出色 DC 偏置以及高達 300 kHz 的高頻率范圍，從而實現(xiàn)了優(yōu)異的組合效果。

 

 

 

在單相應用中，AFE 評估板輸出功率為 6.6 kW；三相應用的情況則是 22 kW。

 

為了使充電機的 DC/DC 達到所需的性能水平，需要將復雜的多電平拓撲與 650 V Si 或 SiC 器件一起使用。例如圖7所示的級聯(lián)變換器。Si 650 V 器件解決方案將提供 80 kHz 至 120 kHz 的開關(guān)頻率范圍，需要更多數(shù)量的開關(guān)和驅(qū)動器、更高的系統(tǒng)成本以及復雜的均流控制，還要承受更高的導通損耗。

 

 

圖7. 級聯(lián)變換器 (左) 的開關(guān)頻率范圍為 80 - 120 kHz，并且需要更多數(shù)量的開關(guān)和柵極驅(qū)動器。1200 V SiC 拓撲 (右) 則更為精簡，開關(guān)頻率范圍為 140 - 250 kHz，且僅需更少數(shù)量的部件。

 

采用 Wolfspeed C3M0032120K 則可以實現(xiàn)更好的性能以及 140 - 250 kHz 的開關(guān)頻率范圍內(nèi)，從而帶來更小型、更輕量的磁性元件。

 

CRD-22DD12N DC/DC 板搭載了具有靈活控制方案的全橋 CLLC 諧振轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)了頻率調(diào)變、移相控制、自適應同步整流和電橋重配置技術(shù)。其拓撲實現(xiàn)了零電壓導通、低電流關(guān)斷，從而帶來更低的開關(guān)損耗和更低的電磁干擾 EMI。所有這些的實現(xiàn)都是伴隨著更少數(shù)量的功率器件和更低的系統(tǒng)成本。

 

 

圖8. CRD-22DD12N 與 AFE 效率水平相匹配

 

它可兼容 380 - 900 V 的直流母線輸入電壓范圍，以及 200 - 800 V 的直流輸出電壓范圍，從而可與單相和三相 AFE 集成在一起。

 

就如同 AFE，該板支持充電和放電雙向模式。并提供 8 kW/L 的高功率密度，以及 > 98.5% 的高效率。

 

 

將 AFE 和 DC/DC 板組合在一起，帶來了明顯高于Si 基方案的顯著優(yōu)勢 (圖9)。

 

 

圖9. 將 CRD-22AD12N AFE 與 CRD-22DD12N DC/DC 結(jié)合使用，可降低 15% 以上系統(tǒng)成本，提高 2% 系統(tǒng)效率，提高 50% 功率密度。

 

 

隨著 EV 電池電壓朝向 800 V 邁進，1200 V SiC 開關(guān)不僅可實現(xiàn) 15 分鐘目標充電時間的新型 EV 架構(gòu)，同時也為雙向充電機在車網(wǎng)互聯(lián) V2G 應用開啟了新的機遇。

 

Wolfspeed 為工程師們提供 CRD-22DD12N DC/DC 參考板用于 CRD-22AD12N AFE 的設(shè)計，展現(xiàn)了采用 SiC 器件比之 Si 器件的諸多優(yōu)勢，包括降低整體系統(tǒng)成本、減輕重量和減小尺寸、提高系統(tǒng)效率、簡化散熱設(shè)計和成本負擔等等，而且還可以簡化電源系統(tǒng)設(shè)計以縮短產(chǎn)品面市時間。

 

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