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功率半导体的进步实现3级直流快速充电,解决电动汽车的里程焦虑
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2021-11-02 11:20:45来源: 中国机器视觉网

目前,电动汽车的使用仍受到阻碍,主要在于 “里程焦虑”问题,并且车主不愿在道路上等待数小时充电时间。然而,随着全国各地部署越来越多的充电桩,“直流快速充电”有望将等待时间缩短至数分钟。这些额定功率达350 kW的大功率充电桩,必须利用最新的电源转换拓扑结构和半导体开关技术,以尽可能提高电能效来实现成本效益。本文将介绍这些大功率充电桩的典型设计方法,对功率器件的一些选择,以及最新的宽禁带半导体可带来的优势。

无可否认,电动汽车越来越被广泛接受,其销售增长率约60%[1]。然而,该分析也指出在2018年底其市场渗透率仅2.2%,因此,电动汽车要成为主流还有很长的路要走。尽管如此,制造商仍承诺,预计到2023年将有400多款电动汽车车型上市。

让人们放弃使用汽油汽车的决定受许多因素影响,其中最重要的是购置成本,还有 “里程焦虑”的问题。电动汽车用于短途通勤和本地出行可能没有问题,因为家用充电器会在夜间为电动汽车“充电”。真正令人们却步的是电动汽车行驶里程一般少于300英里,这对于长途驾驶来说不够用。尤其是在充电点很少且隔得很远的地区,如果充电需要花费几个小时那么使用电动汽车就很难实行了。

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即使是在家从240 V AC电源为已耗尽电量的100 kWh电池 (如在特斯拉中)充满电也可能需要14个小时,导致第二天几乎不够时间出行。但是,随着 “快速” 直流充电桩的出现,充电时间将可以以分钟而不是小时来计算。

充电桩分级

在家、办公室和路边有不同的充电选择,大众可能对术语也有一些争议,但普遍认为“1级(Level 1)” 指使用常规120 V AC家庭插座(欧洲为230 / 240 V AC),充电速度最慢。“2级(Level 2)” 指利用240 V AC或有时指通过安装,内置控制和保护的充电桩使用400 VAC三相。Level 2提供更快的充电速率,但这仍基于家庭使用。Level 1和Level 2均使用车载充电器为电池产生直流电。“3级(Level 3)” 指从静态AC-DC转换器直接向电池进行直流充电,通常是在加油站,并需要使用三相AC电源。这种配置的最大功率为350 kW,充电时间可缩减至数分钟,类似于为内燃机(ICE)车辆加油所需的时间。 

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图1:充电级别和性能(美国)

快速充电桩技术

功率达350 kW的3级充电桩设计要求极高,低成本永远需优先考虑,然而转换能效也是关键。每浪费一瓦特就意味着更高的电费、更少的电量充电池和更长的充电时间,而过多的热损失也降低了电动汽车的环保优势。高能效还降低冷却硬件的需求,从而有助于缩减成本和尺寸。 

图2展示典型的直流快速充电桩框图,并重点显示主要元素。

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图2:典型的快速直流充电桩框图 

几千瓦级充电桩通常使用“维也纳(Vienna)整流器”来实现三相交流整流和功率因数校正(PFC)。图3显示两种不同的拓扑。拓扑1的器件较少,能效最高,但是二极管必须使用相对昂贵的1200 V类型,且六个开关需要复杂的控制。而拓扑2仅使用三个开关,控制较为简单,且二极管可以是600 V类型,但因传导路径中有更多的二极管,能效较低。

在每种拓扑中,都可用高压硅(Si) MOSFET或碳化硅(SiC) MOSFET,若为了尽可能降低成本,如能将频率保持在较低水平则可考虑使用IGBT。设计充电桩的工程师可从安森美(onsemi) [2]中选择不同器件,例如,其“第4代场截止(Field Stop 4)”器件可提供650 V或950 V额定值的低速、中速和高速版本,具有不同的饱和电压和体现动态损耗的EOFF值。在较高的额定电压下,可能需要基于IGBT的三相半桥整流器/PFC级,安森美的“超场截止(Ultra Field Stop)”1200 V器件也有低速和高速版本,具有同类最佳的VCESAT和EOFF。

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图3:Vienna整流器拓扑

Vienna整流器级为主DC-DC转换级产生一个稳定的高压总线,这是其中一种拓扑。图4所示的全桥交错LLC和三级LLC是最常见的实施方法。交错版本可使用650 V 超级结MOSFET,因每个MOSFET只有一半的电源电压。安森美的SuperFET®III技术可实现这些拓扑,并分为三个版本:

“易驱动版本(Easy Drive)”:集成门极电阻以降低电磁干扰(EMI)和电压尖峰。

“快速版本(Fast)” :用于硬开关应用中实现最高能效。

“快速恢复版本(FRFET)” :集成同类最佳的体二极管,用于LLC等谐振转换器中实现最佳性能。

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图4:替代转换器拓扑

为了获得更高能效和功率密度,工程师可使用900 V/1200 V SiC MOSFET,以在较高的开关频率下使用较小的磁性元器件,抵消较高的器件成本。高额定电压允许仅使用单个H桥,无需交错,开关数量更少,从而再次节省成本。对于成本非常敏感的应用,可使用安森美半导体的场截止系列的650 V或1200 V IGBT,但开关频率较低,因此磁性元器件更大且成本更高。输出二极管可以是1200 V的“Stealth”或“Hyperfast” 硅类型,也可以是损耗更低的1200 V SiC类型。

三级LLC拓扑使用较少的二极管和开关,集成相关的隔离型门极驱动,尽管需要三个变压器,但输出纹波要低得多。同样,可使用超级结Si或SiC-MOSFET或IGBT,具体取决于对性能/成本的权衡。

宽禁带SiC器件提供广泛的性能改进

采用SiC宽禁带开关和二极管有很多好处,快速、低损耗的高压开关可减少系统成本、尺寸和重量,同时节能。 实验比较了使用Vienna整流器和全桥LLC转换器的硅方案,及集成碳化硅的三相半桥整流器/PFC的全桥LLC转换器,结果显示,采用SiC版本的方案,功率吞吐量提高了25%,重量减少22%,体积减少62%,器件数减少20%,从而使产品更可靠。

封装也在发展

能否充分利用功率半导体通常取决于封装,尤其是在较高的开关频率下,引线电感等寄生效应会降低性能。安森美的创新PQFN、LFPAK和TO无铅封装能解决这一问题,同时提供了增强的热性能。为大幅减少生产装配时间和器件数,可考虑使用功率集成模块(PIM),PIM将多个器件集成在一个封装中,包括IGBT、Si和SiC MOSFET、混合Si和SiC二极管的模块以及检测电阻等其他元器件。预集成的PIM的性能是有保证的,能消除开发风险,减少器件库存并加快了产品上市时间。

总结

最新一代功率半导体用于高能效电源转换拓扑中,赋能快速电动汽车直流充电桩设计,解决“里程焦虑”问题。安森美垂直集成了供应IGBT、Si和SiC MOSFET以及二极管的所有工艺,以提供完整的电源方案,辅以一系列全面的支持器件如模拟和数字控制器、隔离型门极驱动器、低损耗电流检测放大器和光耦合器。

参考文献

[1] EV-Volumes.com; McKinsey analysis

[2] www.onsemi.com