电动汽车的直流快速充电技术

随着电气化浪潮的兴起，汽车产业正在经历一场深刻的变革。预计到2028年，新车销量中超过50%将是混合动力或纯电动汽车（EV）。

宽禁带（WBG）半导体在电动汽车中的应用

自本世纪初以来，多种因素推动了汽车中半导体使用量的增加。最初是电子稳定控制等安全监测应用，随后是与智能手机和互联网的更多交互，如娱乐和导航。过去十年里，驾驶辅助系统（ADAS）和动力总成的电气化大幅增加了汽车中的芯片总量。WBG半导体在这些应用中扮演了越来越重要的角色。例如，氮化镓（GaN）功率器件被用于驱动许多新车中半自动和全自动驾驶功能的激光雷达（LIDAR）系统，而碳化硅（SiC）功率器件则用于牵引逆变器应用。

WBG功率器件相比传统硅基器件的优势包括：

1.材料本身具有更高的电击穿场强，允许设备更有效地扩展到更高的电压和功率水平，从而在给定电压下具有更低的导通损耗。

2.更小的器件导致更低的开关损耗，因为寄生电容更小。

3.上述优点还使得高开关频率成为可能，这可以通过使用更小的磁性元件实现系统级节省。

4.由于功率损失较低，冷却系统也可以更小，尤其是SiC器件还具有较低的热阻，以及在发动机舱高温下的更高稳定性和可靠性。

5.WBG器件还使得如无桥全桥和T-中性点夹紧（NPC）主动前端电路等更简单的拓扑成为可能，实现较高效率水平的低成本和简化的2级转换器更容易。

从消费者的角度看，上述改进意味着更长的驾驶范围或更小、更便宜的电池。使用SiC的车辆（电池容量>50kWh）预计将实现净节省。

电动汽车及其充电趋势

混合动力（HEV）和插电式混合动力（PHEV）电动汽车的牵引功率通常小于100kW。在这一类别中，牵引逆变器目前主要由Si IGBTs主导，尽管SiC的使用正在增加。在100-220kW范围内的高性能电动汽车、卡车和SUV正在增加SiC的使用。趋势是在>100kW范围内的电动汽车占比越来越大。

许多传统汽车厂商提到的一个常见问题是，缺乏完全发展的充电基础设施和当前充电器的慢速充电过程，这是他们不转向电动汽车的原因。AC 1级和2级充电通常用于通过车载充电器（OBC）为车辆电池充电。AC 1级使用120V，<2kW，充满一辆小型BEV几乎需要整整一天。AC 2级使用240V，充电时间根据使用的功率水平可以从一个小时到几个小时不等。OBC通常具有功率因数校正（PFC）AC/DC阶段，随后是DC/DC阶段。OBC的当前标准输出功率为7.2kW和11kW，预计22kW将在未来得到更广泛的使用。额定电压为650V的GaN功率器件在OBC应用中提供了许多优势。

功率在7-25kW的DC壁挂式充电箱提供了更快的充电速度，绕过了OBC单元。此外，3级DC快速充电标准被视为大幅加快电动汽车充电速度的方式。充电站的功率范围从50kW到350kW，针对商用卡车的目标可达到1MW。典型的电动汽车乘用车（100kW电机和50-100kWh电池容量）的充电时间可以缩短到几分钟。这一解决方案的关键部分是使用800V电池，这相应需要更高电压的驱动电子器件。SiC器件的1200V或更高额定值被视为此应用的关键。

在迅速发展的DC快速充电应用领域内看到的一些重要趋势包括：

1.采用模块化方法，例如将25kW到50kW的模块堆叠以实现更高功率

2.使用SiC器件实现超过98%的效率

3.支持宽电压范围

4.双向性：这是OBC和DC快速充电器的一个趋势，为车辆向家庭或电网反馈电力提供了一种方式。双活桥（DAB）是适合此用途的DC/DC转换器拓扑之一。

EV DC充电器市场按功率水平的预测分解显示，到2027年，预计将有41%的强劲累计年增长率（CAGR），其中>100kW充电器将引领这一扩张。

经过多年的研究和开发，市面上SiC 功率器件不断的改进和模块产品组合。其中包括反向电压额定值范围为 650 V 至 1700 V 的肖特基二极管和 MOSFET，电阻率也不断的提高。这些器件可以在 25°C 下进行 1e11 个栅极开关周期（-3V 至 18V）后，阈值电压仅为 50 mV，表现已经是十分稳定。