近年來(lái)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)逐漸回暖，消費(fèi)者對(duì)綠色科技的興趣蓬勃，加上越來(lái)越多法規(guī)的支持，也使得對(duì)于電動(dòng)汽車(chē) (EV) 市場(chǎng)的預(yù)期不斷攀升。

 

習(xí)慣駕駛內(nèi)燃機(jī)引擎車(chē)輛跑上 400 英里的客戶，免不了對(duì) EV 存在“里程焦慮”。但 EV 越來(lái)越接近于解決這項(xiàng)難題。最新的 EV 可達(dá)到 200 英里左右的續(xù)航里程，預(yù)計(jì) 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(guò)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(guò) 500 英里續(xù)航里程的車(chē)型。

 

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

 

 

電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)可持續(xù)的成長(zhǎng)，需要更短充電時(shí)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(shí)現(xiàn)此類快速充電機(jī)所需的更高功率輸出。高電壓帶來(lái)較低的電流，從而減少了線纜中的功率損耗以及電池過(guò)熱問(wèn)題，能更好地保持功率。它還能減輕重量，因?yàn)闇p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(lái)的成本。

 

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

 

 

圖1.  縮短充電時(shí)間的需求，帶動(dòng)直流快速充電機(jī)功率性能的提升。(來(lái)源：Yole Développement, Power SiC Materials, Devices and Applications 2020)

 

保時(shí)捷的 Taycon、現(xiàn)代汽車(chē)的 Kia EV6、通用汽車(chē)的 Hummer EV 等幾種新車(chē)型均已開(kāi)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(jí)的 900 V 架構(gòu)。

 

如此一來(lái)，EV 公司就需要對(duì)每項(xiàng)裝置進(jìn)行重大修改，包括增加馬達(dá)的繞組匝數(shù)、增強(qiáng)導(dǎo)體的絕緣性，一直到重新設(shè)計(jì)功率主回路以使用耐壓高于 800 V 的最新功率器件。

 

 

充電機(jī)還必須支持的另一個(gè)重要趨勢(shì)是 V2G。隨著各家公司紛紛為強(qiáng)大的車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng) (ESS) 開(kāi)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(yáng)能和固定式 ESS 在電氣化的未來(lái)中肯定會(huì)占有重要地位，V2G 功能在處理用電負(fù)載高峰時(shí)被寄予厚望。

 

考慮到大型的商業(yè)和工業(yè)能源消費(fèi)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(jī)可以在峰值負(fù)載時(shí)將原本要為 EV 充電的功能切換至為企業(yè)場(chǎng)地或電網(wǎng)供電，則為安裝該系統(tǒng)提供了一個(gè)很吸引人的商業(yè)場(chǎng)景。

 

例如，F(xiàn)ermata Energy 公司正在美國(guó)北卡羅萊納州 Ahoskie 市進(jìn)行裝置的測(cè)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(biāo)是將 EV 轉(zhuǎn)變?yōu)楦邇r(jià)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(wù)。

 

從小范圍來(lái)看，這些 ESS 資產(chǎn)可以在斷電期間為消費(fèi)者提供備用支援，還可以供露營(yíng)者和商業(yè)承包商(包括支持遠(yuǎn)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(shí)提供臨時(shí)電源。而從大范圍來(lái)看，V2G 可以與國(guó)家的電網(wǎng)相連接，以緩解風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生能源供應(yīng)的波動(dòng)。

 

 

碳化硅 (SiC) 是實(shí)現(xiàn)高電壓快速充電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。相較于硅 (Si) 器件，SiC 器件提供了多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)：

 

SiC 的擊穿場(chǎng)強(qiáng)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(dá) 1700 V 的 MOFSET 阻斷電壓，而 Si 基超級(jí)結(jié) MOSFET 通常在 900 V 以下。)

 

與 Si 相比，SiC 有著更低的導(dǎo)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(méi)有反向恢復(fù)電流，并且能夠以比 Si 高三到五倍的頻率進(jìn)行開(kāi)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(dǎo)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(huì)進(jìn)一步拉大 Si 和 SiC 之間的性能差距，同時(shí)降低兩者之間的成本差異。(來(lái)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(shì) (圖2)，提供了實(shí)現(xiàn) 800 V 至 900 V 電動(dòng)汽車(chē)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(yù)估充電樁采用的 SiC 將從目前約 1000 萬(wàn)美元，成長(zhǎng)到 2025 年將近 2.25 億美元的規(guī)模。

 

 

車(chē)載充電機(jī)和充電樁都包含了兩個(gè)主要模塊：用于 AC/DC 轉(zhuǎn)換的主動(dòng)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(guò) DC/DC 模塊將其轉(zhuǎn)換為電動(dòng)汽車(chē)電池快速充電所需的電壓。

 

車(chē)載充電機(jī) (OBC) 通常采用單個(gè) 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(shí)現(xiàn)目前的 150 kW，及最新目標(biāo)的 350 kW。最新的 SiC 器件、封裝和電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，則可在不久的將來(lái)以數(shù)量更少的 60 kW 模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo) (圖3)。

 

 

圖3. SiC 賦能實(shí)現(xiàn)高電壓、大功率、更簡(jiǎn)單的充電機(jī)設(shè)計(jì)。(來(lái)源︰Yole Développement, Power SiC Materials, Devices and Applications 2020)

 

 

Wolfspeed 提供了核心器件，支持 EV 市場(chǎng)中的這些趨勢(shì) - 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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn) TO-247-3 以及優(yōu)化的 TO-247-4 與 TO263-7 封裝，其開(kāi)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(jì)，可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作并縮短產(chǎn)品面市時(shí)間。為了應(yīng)對(duì)最新的 EV 充電機(jī)趨勢(shì)，公司開(kāi)發(fā)了一個(gè) 22 kW 解決方案，其中包括了一個(gè) AFE 和一個(gè)靈活的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，既可以用于車(chē)載充電機(jī)，又可以用作 DC 快速充電機(jī)的電源模塊 (圖4)。

 

 

圖4. 22 kW 雙向充電機(jī)規(guī)格

 

兩個(gè)參考設(shè)計(jì)板的結(jié)合非常獨(dú)特，可支持雙向單相和三相操作，滿足車(chē)載充電機(jī)中固定電池電壓的需求，以及適用于 DC 快速充電機(jī)的 200 V 至 800 V 可變電壓，以同時(shí)服務(wù)前代 EV 和 800 V EV。

 

AFE 和 DC/DC 設(shè)計(jì)的靈活性為工程師們開(kāi)啟了新的機(jī)會(huì)，使他們還可以將目標(biāo)瞄準(zhǔn) EV 以外的應(yīng)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(jiǎn)單的六開(kāi)關(guān)拓?fù)?。盡管開(kāi)關(guān)能支持更高的頻率，但需要權(quán)衡感應(yīng)磁芯損耗和開(kāi)關(guān)效率。這個(gè)拓?fù)淇芍苯犹娲愃频?-IGBT (six-IGBT) 電路。IGBT 方案簡(jiǎn)單又不貴，但由于 IGBT 尾電流的存在開(kāi)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(jì)僅需六個(gè)開(kāi)關(guān)。相比之下，典型雙向 T-型 Si 解決方案需要三個(gè)額外的 side MOSFET，且控制也更加復(fù)雜。

 

為了實(shí)現(xiàn)高開(kāi)關(guān)頻率所帶來(lái)的好處，當(dāng)增加額外的 650 V Si 或 SiC 器件時(shí)，可采用 T-型 AFE 拓?fù)?。但需要注意的是，這樣一來(lái)便要有所取舍，代價(jià)是需要更多數(shù)量的部件、復(fù)雜的控制以及更高的系統(tǒng)成本。

 

 

圖6. CRD-22AD12N 提供超過(guò) 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(duì)低的200 kW/m3 功率損耗密度(Pv)、68% 的出色 DC 偏置以及高達(dá) 300 kHz 的高頻率范圍，從而實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的組合效果。

 

 

 

在單相應(yīng)用中，AFE 評(píng)估板輸出功率為 6.6 kW；三相應(yīng)用的情況則是 22 kW。

 

為了使充電機(jī)的 DC/DC 達(dá)到所需的性能水平，需要將復(fù)雜的多電平拓?fù)渑c 650 V Si 或 SiC 器件一起使用。例如圖7所示的級(jí)聯(lián)變換器。Si 650 V 器件解決方案將提供 80 kHz 至 120 kHz 的開(kāi)關(guān)頻率范圍，需要更多數(shù)量的開(kāi)關(guān)和驅(qū)動(dòng)器、更高的系統(tǒng)成本以及復(fù)雜的均流控制，還要承受更高的導(dǎo)通損耗。

 

 

圖7. 級(jí)聯(lián)變換器 (左) 的開(kāi)關(guān)頻率范圍為 80 - 120 kHz，并且需要更多數(shù)量的開(kāi)關(guān)和柵極驅(qū)動(dòng)器。1200 V SiC 拓?fù)?(右) 則更為精簡(jiǎn)，開(kāi)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(shí)現(xiàn)更好的性能以及 140 - 250 kHz 的開(kāi)關(guān)頻率范圍內(nèi)，從而帶來(lái)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(shí)現(xiàn)了頻率調(diào)變、移相控制、自適應(yīng)同步整流和電橋重配置技術(shù)。其拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)了零電壓導(dǎo)通、低電流關(guān)斷，從而帶來(lái)更低的開(kāi)關(guān)損耗和更低的電磁干擾 EMI。所有這些的實(shí)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(lái)了明顯高于Si 基方案的顯著優(yōu)勢(shì) (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(jìn)，1200 V SiC 開(kāi)關(guān)不僅可實(shí)現(xiàn) 15 分鐘目標(biāo)充電時(shí)間的新型 EV 架構(gòu)，同時(shí)也為雙向充電機(jī)在車(chē)網(wǎng)互聯(lián) V2G 應(yīng)用開(kāi)啟了新的機(jī)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(jì)，展現(xiàn)了采用 SiC 器件比之 Si 器件的諸多優(yōu)勢(shì)，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(jiǎn)化散熱設(shè)計(jì)和成本負(fù)擔(dān)等等，而且還可以簡(jiǎn)化電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)以縮短產(chǎn)品面市時(shí)間。

 

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