使用 SiC 实现更快的 EV 充电

电动汽车仍有许多挑战需要克服。电池生产、回收和发电等全球环境问题与成本、电池容量和充电基础设施等个别和实际问题交织在一起。最先进的半导体技术至少有助于解决部分问题。

碳化硅 (SiC) 长期以来一直用作半导体材料。SiC 作为无线电检测二极管于 1906 年首次获得专利，通常用于海军接收技术。同样，第一批商用 LED 也是基于 SiC，这种材料因制造黄色和蓝色 LED 而闻名。由于制造上的困难，其在电力电子领域的应用近20年才出现。

事实证明，消除晶体缺陷是 SiC 发展的主要障碍。刃型位错、螺型位错、三角缺陷和基面位错最初导致由 SiC 晶体制成的器件的反向阻断性能较差。除了晶体质量外，SiC 与二氧化硅的界面问题也阻碍了基于 SiC 的功率 MOSFET 和绝缘栅双极晶体管的发展。只有仍然知之甚少的渗氮才显着减少了导致界面问题的缺陷。这为 2008 年以后的 JFET、MOSFET 和肖特基二极管扫清了道路。SiC作为一种半导体材料，在速度、高温、高压等方面具有很大的优势。

这正是恶劣的汽车环境所需要的。电动汽车使用容量高达 100kWh 的电池，目标是在尽可能短的时间内为电池充电。使用公共充电站为电动汽车 (EV) 充电比为化石燃料汽车加油需要更长的时间。车辆充电的速度取决于充电站的充电速度和车辆接受充电的能力。将可进行快速充电的车辆连接到充电率非常高的充电站，可在 15 分钟内将车辆电池充满 80%。充电速度较慢的车辆和充电站可能需要长达一个小时才能将电池充满 80%。和手机一样，

交流 (AC) 充电站将车辆的车载充电电路直接连接到交流电源。AC Level 1 直接连接到 120V 住宅插座，能够提供 12A 至 16A（1.4kW 至 1.92kW）的电流，具体取决于专用电路的容量。AC Level 2 使用 240V 住宅或 208V 商用电源提供 6A 至 80A（1.4kW 至 19.2kW）之间的电流。

在直流 (DC) 快速充电中，电网电力在到达车辆电池之前通过 AC/DC 逆变器，绕过车载充电电路。DC Level 1 在 50V-1000V 时提供最大 80kW 的功率，DC Level 2 在 50V-1000V 时提供最大 400kW 的功率。大型商用车标准正在制定中，理论最大功率为4.5MW。

二极管、MOSFET 和驱动器是此类大功率充电电路的主要组件。ON Semiconductor 的宽带隙 SiC 器件组合具有更高的开关速度和更低的功率损耗，可为现代解决方案的每个部分提供合适的组件。通过实施电隔离的大电流栅极驱动器，可以减少对保护电路的需求 。

On Semiconductor 的 NCx57200 是一款高压栅极驱动器，具有一个非隔离式低侧栅极驱动器和一个电流隔离式高侧或低侧栅极驱动器。这些器件可以直接驱动半桥配置中的两个绝缘栅双极晶体管 (IGBT)。高侧栅极驱动器的电流隔离可确保 IGBT 在高 dv/dt 下工作电压高达 800V 的高功率应用中的可靠开关。优化的输出级提供了一种降低 IGBT 损耗的方法。这些特性包括两个带死区时间和互锁的独立输入、准确的非对称欠压闭锁 (UVLO) 以及短且匹配的传播延迟。带宽范围为 270kHz 至 3MHz，典型IQ为 17µA 至 405µA 的运算放大器可在充电网络中实现安全感测电路。

但是，电路保护仍然是必要的。符合 AEC-Q100 标准的：NCID9211 双通道数字隔离器具有高绝缘性和高抗噪性，其特点是高共模抑制（最低 100KV/s）和电源抑制。正如 ON Semiconductor 的保护和小信号分立器件所展示的那样，保险丝和滤波器负责其余的工作。

结论

ON Semiconductor 付出了额外的努力来解决前面提到的与 SiC 相关的一些挑战，例如晶体缺陷或栅极氧化层可靠性。通过在制造过程中增加额外的质量控制步骤，如晶圆筛选或老化测试，可以更好地过滤 SiC 中的固有晶体缺陷。此外，SiC MOSFET 中增强的栅极氧化物可实现动态负栅极偏置，而不会导致 R DS(ON)或 Vth 漂移。结果是可靠的 SiC 器件可以用于最具挑战性的应用，例如 EV 充电。

审核编辑黄昊宇