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同類最佳的超級結MOSFET和具成本優勢的IGBT用于電動汽車充電樁

2019-10-17 13:36:51 安森美

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插電式混合動力/電動汽車(xEV)包含一個高壓電池子系統，可采用內置的車載充電器(OBC)或外部的充電樁進行充電。充電(應用)要求在高溫環境下具有高電壓、高電流和高性能，開發高能效、高性能、具豐富保護功能的充電樁對于實現以盡可能短的充電時間續航更遠的里程至關重要。常用的半導體器件有IGBT、超結MOSFET和碳化硅(SiC)。安森美半導體為電動汽車OBC和直流充電樁提供完整的系統方案，包括通過AEC車規認證的超級結MOSFET、IGBT、門極驅動器、碳化硅(SiC)器件、電壓檢測、控制產品乃至電源模塊等，支持設計人員優化性能，加快開發周期。本文將主要介紹用于電動汽車直流充電樁的超級結MOSFET和具成本優勢的IGBT方案。

電動汽車充電級和里程

充電樁按充電能力分類，以處理不同的用例場景。一級充電樁是120 V、輸出15 A或20 A 的交流充電樁，每充電1小時增加約4至6英里里程。二級充電功率有3.3 kW、6.6 kW、9.6 kW、19.2 kW四種功率級別，適用于輸出電流分別達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分鐘內充到80%左右，用于公共充電樁。根據中國“一車一樁”計劃，電動汽車充電樁總數在2020年將達480萬個，電動汽車充電工程的450萬個總安裝量中將至少有200萬個是大功率直流充電樁，且2020年后其它國家也將增加電動汽車充電樁。安森美半導體主要提供DCFC方案。

圖1：電動汽車充電級和里程

電動汽車充電樁電源模塊系統趨勢

1. 增加輸出功率以節省充電時間
充電樁將由現在主流的60 kW、90 kW發展到將來的150 kW、240 kW，相應地充電樁電源模塊將由現在的15 kW、20 kW、30 kW提高到將來的40 kW、50 kW、60 kW，以縮短充滿電的時間。
2. 提高功率密度以節省空間
這可通過提高開關頻率Fsw以減少無源器件，并降低損耗以減少散熱器來實現。
3. 提高能效以節能
安森美半導體定位于將滿載能效從現在的95%提高到超過96%，超越能效法規。
4. 提高系統可靠性
這需要延長電解電容器使用壽命和確保在有塵、潮濕、熱、寒區域等戶外安裝的高可靠性。

超級結MOSFET的優勢和使用趨勢

轉向零排放電動汽車等節能減排趨勢推動對中高壓MOSFET的需求增加。平面MOSFET的導通電阻Rds(on)和損耗較大。且根據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。超級結MOSFET能夠顯著降低導通電阻Rds(on)和門極電荷Qg。超級結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，且擊穿電壓與導通電阻近似線性關系，從而顯著降低導通損耗和開關損耗。由于超級結MOSFET在快速開關應用中的能效和功率密度高，常用于高端應用。

電動汽車充電樁架構和安森美半導體的第3代超級結MOSFET方案

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

圖2：電動汽車充電樁架構

其中，3相Vienna PFC可選用安森美半導體的第3代超級結MOSFET (SUPERFET III)的易驅動(EASY Drive)/ 快速(FAST)系列，多級LLC可選用SUPERFET III 快速恢復(FRFET)系列。EASY Drive系列可內部調節門極電阻Rg和寄生電容，有極低的EMI和電壓尖峰，適用于硬/軟開關。FAST系列有減小的門極電荷Qg和輸出電容儲存能量Eoss，低開關損耗，高能效，適用于硬開關拓撲。FRFET系列集成一個高度優化的快恢復二極管，具有超低Qrr和Trr，最小化開關損耗并提高系統級可靠性，適用于軟/硬開關拓撲。

圖3：推薦的安森美半導體SUPERFET III方案用于電動汽車充電樁

SUPERFET III FRFET系列具有超低Qrr和Trr

在同等工作條件下對安森美半導體的SUPERFET III FRFET系列和Easy Drive系列進行比較，測得FRFET系列比Easy Drive系列的Qrr和Irr分別降低90%和73%。

安森美半導體的SUPERFET III FRFET優于競爭對手

在同等工作條件下，測得安森美半導體的SUPERFET III FRFET的門極電荷Qg、Trr、Irr、Qrr和Eoss比競爭對手都有不同程度的降低，降低幅度從8%到47%不等，并且有更低的導通電阻Rds(on)、關斷損耗和同類最佳的二極管性能，因而提供更高的系統能效。

利用SUPERFET III FRFET避免輸出短路故障

普通MOSFET在LLC拓撲中容易出現輸出短路故障，而安森美半導體的SUPERFET III FRFET通過優化門極電荷Qg等參數可避免輸出短路故障，使器件正常工作。

采用SUPERFET III FRFET的HF版本提高系統能效

安森美半導體SUPERFET III FRFET的 F版本在關斷時是慢開關，因而有低尖峰Vds和低dv/dt，優勢是更好的EMI性能。HF版本在關斷時為快速開關，故有更低的開關損耗和更低的Ross，可提供更高的系統能效。

具成本優勢的IGBT方案用于電動汽車充電樁

相比較超級結方案，IGBT可提供具成本優勢的方案用于電動汽車充電樁。安森美半導體提供領先行業的場截止IGBT技術，其最新的第四代場截止(FS4) IGBT具備同類最低的導通損耗、開通損耗、關斷損耗、體二極管損耗和更小的電壓尖峰。推薦用于電動汽車充電樁的FS4 IGBT和整流器方案如下表所示。