为什么 SiC 器件是 3 级 EV 充电应用的理想选择

为电动汽车 (EV) 充电可能是一个漫长的过程，通常需要通过家用交流电源进行通宵充电。然而，3 级“快速”直流充电技术有望提供更快的充电能力，将充电时间从数小时缩短至数分钟。在这篇博客中，我们将探讨转换效率如何依赖于高速电源转换，以及新的宽带隙技术如何非常适合这项任务。

充电时间与续航里程一样重要

电动汽车的采用正在增长，并且随着潜在的电动汽车采用者开始进行研究，有可能加速得更快。美国能源信息署 (EIA) 预测，从 2018 年到 2050 年，160.9 公里、321.8 公里和 482.8 公里范围的乘用电动汽车的综合类别将增长 29%。由于联邦和州的举措，以及促进拥有电动汽车可行性的激励措施，考虑购买新车的消费者更有可能将电动汽车选项列入他们的候选名单。无论潜在消费者只是认为它是“地球的正确选择”，还是他们的研究采用了更详细、更明智的方法，范围很可能是关键的选择标准之一。那些再深入一点的人会问汽车充电需要多长时间。绝大多数车主将充电过程等同于给车辆加油，通常只需要 10 到 15 分钟。然而，今天，大多数车辆都依赖车载交流充电方法，这可能需要一夜或至少几个小时（表 1)。全国部署的大多数电动汽车充电基础设施目前是 1 级——通常来自家庭供电——或 2 级——三相停车场和零售点。汽车工程师协会 (SAE) 定义了这些不同的充电级别。SAE 标准 J1772 规定了 Level 1 和 Level 2 的充电插头和插座布置。对于 Level 2 和 Level 3，SAE 规定了组合插头和插座格式。

表 1：EV 充电站类型表概述了 EV 充电级别、充电时间和功率要求。（来源：安森美半导体）

如表 1 所示，为了在类似于给油箱加气的时间内为电动汽车充电，您需要一个 4 级充电器和一辆能够进行直流充电的车辆。4 级充电涉及的功率非常高，将设计重点从车辆的车载 AC-DC 充电器转移到高功率、高效率的直流充电基础设施。今天，4 级充电基础设施在技术上是可行的，但会对当地电网配电网络提出巨大要求，这就是为什么 3 级充电器在充电时间、成本和电网负载之间取得平衡是一个很有前途的解决方案。

设计 3 级快速、大功率充电器

3 级充电站，也称为“快速”充电站，最高可提供 500A 的电流，并且需要高效的三相电源转换拓扑结构，其中基于 Vienna 整流器的功率因数校正 (PFC) 和 DC-DC 转换器经常使用的方法（图 1）。这种 AC-DC 转换方法使用来自电网三相电源的三个不同电压电平，是一种实现所需输出功率的高效、高密度、低物料清单 (BOM) 方法。

图 1：插图描绘了使用 Vienna PFC 转换器拓扑结构的 EV Level 3 充电器。（来源：安森美半导体）

尽管使用 Vienna 拓扑有很多好处，但对更高功率转换开关频率的需求和由此产生的开关损耗，再加上管理转换损耗产生的热量的需求，可能会加起来。这些，再加上充电位置带来的空间限制，意味着电源设计工程师一直在寻找超越硅基二极管和 MOSFET 当前特性和特性的半导体工艺技术。

宽带隙器件

与传统的硅技术相比，碳化硅 (SiC) 等宽带隙半导体工艺技术提供更快的开关速度，这反过来又允许使用更小的电感器和电容器，从而降低 BOM 成本和所需的电路板空间量（图 2） . SiC MOSFET 还表现出低得多的 RDS (ON)，因此具有较低的开关损耗特性，通常比硅 MOSFET 小 100 倍。总体而言，SiC 器件由于其更宽的导带隙，具有更高的击穿电压，通常是硅介电场强度的 10 倍。SiC 还具有更高的导热性，使设备能够在更高温度下运行。将 SiC 二极管和 MOSFET 用于 3 级充电器的所有优势结合在一起，可产生更紧凑、效率更高和性能更高的充电站。充电器电路不仅更轻，而且组件的成本也可能更低。

图 2：图像提供了 SiC 器件的材料特性和应用优势的比较。（来源：安森美半导体）

安森美半导体 SiC 产品组合

ON Semiconductor是适用于 3 级充电器的基于 SiC 的宽带隙二极管和 MOSFET 的领先供应商。二极管包括 650V 和 1200V，提供多种封装形式，包括 Decawatt 封装 (DPAK)、TO-220、直接键合铜 (DBC) 和底板安装模块。一个例子是FFSH50120A，它是一种 50A、1200V 反向电压肖特基 SiC 二极管，采用 TO-247-2 封装制造，能够在高达 +175°C 的温度下工作，功耗高达 730W。

SiC MOSFET 系列包括经 AEC-Q101 认证的 1200V 汽车级 N 沟道NVHL080N120SC1通孔安装器件，可连续提供高达 44A 的电流，最大 RDS (ON)为 110mΩ。

基于碳化硅的宽带隙二极管和 MOSFET 展现出用于 3 级充电站的完美性能特征。它们的高速开关特性、紧凑的尺寸和稳健的特性使它们成为设计高功率、高能效和紧凑型充电器的理想选择。

Robert Huntley 是一位获得 HND 资格的工程师和技术作家。凭借他在电信、导航系统和嵌入式应用工程方面的背景，他代表 Mouser Electronics 撰写了各种技术和实用文章。

审核编辑黄宇