為電動汽車 (EV) 充電可能是一個漫長的過程，通常需要通過家用交流電源進行通宵充電。然而，3 級“快速”直流充電技術(shù)有望提供更快的充電能力，將充電時間從數(shù)小時縮短至數(shù)分鐘。在這篇博客中，我們將探討轉(zhuǎn)換效率如何依賴于高速電源轉(zhuǎn)換，以及新的寬帶隙技術(shù)如何非常適合這項任務(wù)。

充電時間與續(xù)航里程一樣重要

電動汽車的采用正在增長，并且隨著潛在的電動汽車采用者開始進行研究，有可能加速得更快。美國能源信息署 (EIA) 預(yù)測，從 2018 年到 2050 年，160.9 公里、321.8 公里和 482.8 公里范圍的乘用電動汽車的綜合類別將增長 29%。由于聯(lián)邦和州的舉措，以及促進擁有電動汽車可行性的激勵措施，考慮購買新車的消費者更有可能將電動汽車選項列入他們的候選名單。無論潛在消費者只是認為它是“地球的正確選擇”，還是他們的研究采用了更詳細、更明智的方法，范圍很可能是關(guān)鍵的選擇標準之一。那些再深入一點的人會問汽車充電需要多長時間。絕大多數(shù)車主將充電過程等同于給車輛加油，通常只需要 10 到 15 分鐘。然而，今天，大多數(shù)車輛都依賴車載交流充電方法，這可能需要一夜或至少幾個小時（表 1)。全國部署的大多數(shù)電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施目前是 1 級——通常來自家庭供電——或 2 級——三相停車場和零售點。汽車工程師協(xié)會 (SAE) 定義了這些不同的充電級別。SAE 標準 J1772 規(guī)定了 Level 1 和 Level 2 的充電插頭和插座布置。對于 Level 2 和 Level 3，SAE 規(guī)定了組合插頭和插座格式。

表 1：EV 充電站類型表概述了 EV 充電級別、充電時間和功率要求。（來源：安森美半導(dǎo)體）

如表 1 所示，為了在類似于給油箱加氣的時間內(nèi)為電動汽車充電，您需要一個 4 級充電器和一輛能夠進行直流充電的車輛。4 級充電涉及的功率非常高，將設(shè)計重點從車輛的車載 AC-DC 充電器轉(zhuǎn)移到高功率、高效率的直流充電基礎(chǔ)設(shè)施。今天，4 級充電基礎(chǔ)設(shè)施在技術(shù)上是可行的，但會對當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)配電網(wǎng)絡(luò)提出巨大要求，這就是為什么 3 級充電器在充電時間、成本和電網(wǎng)負載之間取得平衡是一個很有前途的解決方案。

設(shè)計 3 級快速、大功率充電器

3 級充電站，也稱為“快速”充電站，最高可提供 500A 的電流，并且需要高效的三相電源轉(zhuǎn)換拓撲結(jié)構(gòu)，其中基于 Vienna 整流器的功率因數(shù)校正 (PFC) 和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器經(jīng)常使用的方法（圖 1）。這種 AC-DC 轉(zhuǎn)換方法使用來自電網(wǎng)三相電源的三個不同電壓電平，是一種實現(xiàn)所需輸出功率的高效、高密度、低物料清單 (BOM) 方法。

圖 1：插圖描繪了使用 Vienna PFC 轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)的 EV Level 3 充電器。（來源：安森美半導(dǎo)體）

盡管使用 Vienna 拓撲有很多好處，但對更高功率轉(zhuǎn)換開關(guān)頻率的需求和由此產(chǎn)生的開關(guān)損耗，再加上管理轉(zhuǎn)換損耗產(chǎn)生的熱量的需求，可能會加起來。這些，再加上充電位置帶來的空間限制，意味著電源設(shè)計工程師一直在尋找超越硅基二極管和 MOSFET 當(dāng)前特性和特性的半導(dǎo)體工藝技術(shù)。

寬帶隙器件

與傳統(tǒng)的硅技術(shù)相比，碳化硅 (SiC) 等寬帶隙半導(dǎo)體工藝技術(shù)提供更快的開關(guān)速度，這反過來又允許使用更小的電感器和電容器，從而降低 BOM 成本和所需的電路板空間量（圖 2） . SiC MOSFET 還表現(xiàn)出低得多的 RDS (ON)，因此具有較低的開關(guān)損耗特性，通常比硅 MOSFET 小 100 倍。總體而言，SiC 器件由于其更寬的導(dǎo)帶隙，具有更高的擊穿電壓，通常是硅介電場強度的 10 倍。SiC 還具有更高的導(dǎo)熱性，使設(shè)備能夠在更高溫度下運行。將 SiC 二極管和 MOSFET 用于 3 級充電器的所有優(yōu)勢結(jié)合在一起，可產(chǎn)生更緊湊、效率更高和性能更高的充電站。充電器電路不僅更輕，而且組件的成本也可能更低。

圖 2：圖像提供了 SiC 器件的材料特性和應(yīng)用優(yōu)勢的比較。（來源：安森美半導(dǎo)體）

安森美半導(dǎo)體 SiC 產(chǎn)品組合

ON Semiconductor是適用于 3 級充電器的基于 SiC 的寬帶隙二極管和 MOSFET 的領(lǐng)先供應(yīng)商。二極管包括 650V 和 1200V，提供多種封裝形式，包括 Decawatt 封裝 (DPAK)、TO-220、直接鍵合銅 (DBC) 和底板安裝模塊。一個例子是FFSH50120A，它是一種 50A、1200V 反向電壓肖特基 SiC 二極管，采用 TO-247-2 封裝制造，能夠在高達 +175°C 的溫度下工作，功耗高達 730W。

SiC MOSFET 系列包括經(jīng) AEC-Q101 認證的 1200V 汽車級 N 溝道NVHL080N120SC1通孔安裝器件，可連續(xù)提供高達 44A 的電流，最大 RDS (ON)為 110mΩ。

基于碳化硅的寬帶隙二極管和 MOSFET 展現(xiàn)出用于 3 級充電站的完美性能特征。它們的高速開關(guān)特性、緊湊的尺寸和穩(wěn)健的特性使它們成為設(shè)計高功率、高能效和緊湊型充電器的理想選擇。

Robert Huntley 是一位獲得 HND 資格的工程師和技術(shù)作家。憑借他在電信、導(dǎo)航系統(tǒng)和嵌入式應(yīng)用工程方面的背景，他代表 Mouser Electronics 撰寫了各種技術(shù)和實用文章。

審核編輯黃宇