【導讀】目前,電動汽車的使用仍受到阻礙,主要在于 “里程焦慮”問題,并且車主不愿在道路上等待數小時充電時間。然而,隨著全國各地部署越來越多的充電樁,“直流快速充電”有望將等待時間縮短至數分鐘。這些額定功率達350 kW的大功率充電樁,必須利用最新的電源轉換拓撲結構和半導體開關技術,以盡可能提高電能效來實現成本效益。本文將介紹這些大功率充電樁的典型設計方法,對功率器件的一些選擇,以及最新的寬禁帶半導體可帶來的優(yōu)勢。
無可否認,電動汽車越來越被廣泛接受,其銷售增長率約60%[1]。然而,該分析也指出在2018年底其市場滲透率僅2.2%,因此,電動汽車要成為主流還有很長的路要走。盡管如此,制造商仍承諾,預計到2023年將有400多款電動汽車車型上市。
讓人們放棄使用汽油汽車的決定受許多因素影響,其中最重要的是購置成本,還有 “里程焦慮”的問題。電動汽車用于短途通勤和本地出行可能沒有問題,因為家用充電器會在夜間為電動汽車“充電”。真正令人們卻步的是電動汽車行駛里程一般少于300英里,這對于長途駕駛來說不夠用。尤其是在充電點很少且隔得很遠的地區(qū),如果充電需要花費幾個小時那么使用電動汽車就很難實行了。
即使是在家從240 V AC電源為已耗盡電量的100 kWh電池 (如在特斯拉中)充滿電也可能需要14個小時,導致第二天幾乎不夠時間出行。但是,隨著 “快速” 直流充電樁的出現,充電時間將可以以分鐘而不是小時來計算。
充電樁分級
在家、辦公室和路邊有不同的充電選擇,大眾可能對術語也有一些爭議,但普遍認為“1級(Level 1)” 指使用常規(guī)120 V AC家庭插座(歐洲為230 / 240 V AC),充電速度最慢。“2級(Level 2)” 指利用240 V AC或有時指通過安裝,內置控制和保護的充電樁使用400 VAC三相。Level 2提供更快的充電速率,但這仍基于家庭使用。Level 1和Level 2均使用車載充電器為電池產生直流電?!?級(Level 3)” 指從靜態(tài)AC-DC轉換器直接向電池進行直流充電,通常是在加油站,并需要使用三相AC電源。這種配置的最大功率為350 kW,充電時間可縮減至數分鐘,類似于為內燃機(ICE)車輛加油所需的時間。
圖1總結了在美國電動汽車三種充電級別的表現。
圖1:充電級別和性能(美國)
快速充電樁技術
功率達350 kW的3級充電樁設計要求極高,低成本永遠需優(yōu)先考慮,然而轉換能效也是關鍵。每浪費一瓦特就意味著更高的電費、更少的電量充電池和更長的充電時間,而過多的熱損失也降低了電動汽車的環(huán)保優(yōu)勢。高能效還降低冷卻硬件的需求,從而有助于縮減成本和尺寸。
圖2展示典型的直流快速充電樁框圖,并重點顯示主要元素。
圖2:典型的快速直流充電樁框圖
幾千瓦級充電樁通常使用“維也納(Vienna)整流器”來實現三相交流整流和功率因數校正(PFC)。圖3顯示兩種不同的拓撲。拓撲1的器件較少,能效最高,但是二極管必須使用相對昂貴的1200 V類型,且六個開關需要復雜的控制。而拓撲2僅使用三個開關,控制較為簡單,且二極管可以是600 V類型,但因傳導路徑中有更多的二極管,能效較低。
在每種拓撲中,都可用高壓硅(Si) MOSFET或碳化硅(SiC) MOSFET,若為了盡可能降低成本,如能將頻率保持在較低水平則可考慮使用IGBT。設計充電樁的工程師可從安森美(onsemi) [2]中選擇不同器件,例如,其“第4代場截止(Field Stop 4)”器件可提供650 V或950 V額定值的低速、中速和高速版本,具有不同的飽和電壓和體現動態(tài)損耗的EOFF值。在較高的額定電壓下,可能需要基于IGBT的三相半橋整流器/PFC級,安森美的“超場截止(Ultra Field Stop)”1200 V器件也有低速和高速版本,具有同類最佳的VCESAT和EOFF。
圖3:Vienna整流器拓撲
Vienna整流器級為主DC-DC轉換級產生一個穩(wěn)定的高壓總線,這是其中一種拓撲。圖4所示的全橋交錯LLC和三級LLC是最常見的實施方法。交錯版本可使用650 V 超級結MOSFET,因每個MOSFET只有一半的電源電壓。安森美的SuperFET?III技術可實現這些拓撲,并分為三個版本:
“易驅動版本(Easy Drive)”
集成門極電阻以降低電磁干擾(EMI)和電壓尖峰。
“快速版本(Fast)”
用于硬開關應用中實現最高能效。
“快速恢復版本(FRFET)”
集成同類最佳的體二極管,用于LLC等諧振轉換器中實現最佳性能。
圖4:替代轉換器拓撲
為了獲得更高能效和功率密度,工程師可使用900 V/1200 V SiC MOSFET,以在較高的開關頻率下使用較小的磁性元器件,抵消較高的器件成本。高額定電壓允許僅使用單個H橋,無需交錯,開關數量更少,從而再次節(jié)省成本。對于成本非常敏感的應用,可使用安森美半導體的場截止系列的650 V或1200 V IGBT,但開關頻率較低,因此磁性元器件更大且成本更高。輸出二極管可以是1200 V的“Stealth”或“Hyperfast” 硅類型,也可以是損耗更低的1200 V SiC類型。
三級LLC拓撲使用較少的二極管和開關,集成相關的隔離型門極驅動,盡管需要三個變壓器,但輸出紋波要低得多。同樣,可使用超級結Si或SiC-MOSFET或IGBT,具體取決于對性能/成本的權衡。
寬禁帶SiC器件提供廣泛的性能改進
采用SiC寬禁帶開關和二極管有很多好處,快速、低損耗的高壓開關可減少系統(tǒng)成本、尺寸和重量,同時節(jié)能。 實驗比較了使用Vienna整流器和全橋LLC轉換器的硅方案,及集成碳化硅的三相半橋整流器/PFC的全橋LLC轉換器,結果顯示,采用SiC版本的方案,功率吞吐量提高了25%,重量減少22%,體積減少62%,器件數減少20%,從而使產品更可靠。
封裝也在發(fā)展
能否充分利用功率半導體通常取決于封裝,尤其是在較高的開關頻率下,引線電感等寄生效應會降低性能。安森美的創(chuàng)新PQFN、LFPAK和TO無鉛封裝能解決這一問題,同時提供了增強的熱性能。為大幅減少生產裝配時間和器件數,可考慮使用功率集成模塊(PIM),PIM將多個器件集成在一個封裝中,包括IGBT、Si和SiC MOSFET、混合Si和SiC二極管的模塊以及檢測電阻等其他元器件。預集成的PIM的性能是有保證的,能消除開發(fā)風險,減少器件庫存并加快了產品上市時間。
總結
最新一代功率半導體用于高能效電源轉換拓撲中,賦能快速電動汽車直流充電樁設計,解決“里程焦慮”問題。安森美垂直集成了供應IGBT、Si和SiC MOSFET以及二極管的所有工藝,以提供完整的電源方案,輔以一系列全面的支持器件如模擬和數字控制器、隔離型門極驅動器、低損耗電流檢測放大器和光耦合器。
參考文獻
[1] EV-Volumes.com; McKinsey analysis
[2] www.onsemi.com
來源:安森美,作者:工業(yè)業(yè)務拓展Steven Shackell
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