【应用】芯众享量产1200V多种封装形式的SiC SBD和SiC MOSFET系列产品，助力电动汽车快速充电

时间： 2023-07-20 来源：芯众享微电子公众号

技术问答

近年来电动汽车的蓬勃发展带给人们更多选择和新体验，但里程焦虑成为电车车主的“心头大患”，电池容量扩容是一项挑战，提高充电效率成为一大难关。传统汽车加油只需5分钟，而电动汽车充电长达半小时以上，充电难、充电慢的情况迫使车主们纷纷练就了“抢”充电桩的技能。如何提升充电效率，功率半导体不容忽视。

1、交流充电桩与直流充电桩

目前交流充电桩普适性较强，可安装在家庭地库环境中，使用220V交流电，不过其充电速度较慢，常被称为“低压慢充”。效率低的主要原因是车载OBC将交流电转换成直流电的功率较低。相比之下，“高压快充”通常指直流充电桩，可连接380V或以上电压的专用电网，通过充电桩内置AC/DC转换器将交流转换成直流，对车载电池进行充电。由于转换器置于车外，进而有了更大的空间布置散热系统，转化器的功率也能设计的更大。可以看到，影响充电速度关键在于AC/DC转换器的功率大小，而其核心在于功率半导体。

交流充电与直流充电模式

2、SiC器件直流充电桩最佳的选择

在充电技术不断迭代更新的产业环境及市场需求下，高功率密度、高充电效率及高可靠性成为影响直流充电桩发展的关键因素。碳化硅功率器件可实现硅器件做不到的高开关速度和低导通电阻，即使在高温条件下也能显示出优异的电气特性，可大幅降低开关损耗以及周边元器件的小型化。与传统Si基器件相比，SiC器件可增加充电桩近30%输出功率，并减少高达50%功率损耗。同时，碳化硅器件还能够增强充电桩的稳定性。碳化硅器件作为耐高压、速度快、耐高温的大电流器件，不仅简化了直流充电桩模块电路结构，还提高了单元功率品级，使得功率密度显著提高，进而为降低充电桩系统成本铺平了道路，碳化硅功率器件对直流充电桩可谓是最佳选择。

3、充电桩模块技术方案

目前，由于直流充电桩所接入的市电，多数为三相电，所以充电模块也多匹配于三相输入。主流的直流充电模块一般为“前级PFC+后级DC-DC”的电路结构。对于前级PFC而言，针对三相输入，绝大部分厂家都采用VIENNA结构或基于VIENNA的演变结构。对于后级DC-DC而言，多采用移相全桥或LLC以及基于其的演变结构。目前市场主流的直流充电桩功率模块有20KW和30KW，充电桩正朝着大功率方向发展，如功率在350KW和400KW，相对单机15KW模块，30KW模块数量减小一半，充电桩可靠性更高。

充电桩模块技术方案

4、SiC在充电桩应用中的优势

目前，常见的直流充电桩拓扑电路如图1所示，三相交流380V输入电压经过VIENNA AC/DC电路后，得到800V直流母线电压，然后经过两组两电平全桥LLC串联电路，输出250V到950V（或750V）高压给新能源汽车充电使用。其中VIENNA电路AC/DC的开关频率40kHz左右结构。传统前级PFC方案中因1200V硅快速恢复二极管（FRD）反向恢复特性和温度稳定性较差，可以考虑用反向恢复特性和温度稳定性更好的碳化硅二极管（SBD）替换，与Si MOSFET配合使用，可同时降低高频二极管与Si MOSFET的温升，提升VIENNA PFC的稳定性和效率。

电动汽车直流充电桩的DC-DC单元，若采用Si MOSFET，则需两级LLC串联如图1，电路比较复杂，若采用SiC MOSFET，单级LLC便可实现如图2，从而大大提高充电桩的功率单元单机功率。原边可使用芯众享的1200V SiC MOSFET，副边二极管整流损耗较大，可使用芯众享650V或1200V SiC SBD（肖特基二极管）来提升效率。由于SiC MOSFET的高压特性，其在1200V到1700V电压区间具有很大优势，采用SiC MOSFET的DC/DC电路，可从原先的三电平优化为两电平LLC（如图2所示）。因此可以大大简化拓扑电路，减少元器件的数量，控制和驱动更为简单。同时，基于SiC MOSFET的高频特性，可提高LLC电路的开关频率，从而减少磁性器件的尺寸和成本。

5、芯众享SiC器件助力电动汽车充电模块

芯众享面对充电模块等客户，量产了1200V多种封装形式的SiC SBD系列产品和SiC MOSFET系列产品，对应表1和表2。可以满足效率性能、运维成本、功率密度、稳定性等多方面的需求和现有的各种拓扑电路应用，针对其他应用也有650V 6A/10A/15A/20A TO252/TO263/TO220AC/TO247封装等SiC二极管对应产品。

表1 芯众享1200V SiC SBD系列产品选型表

表2 芯众享1200V SiC MOS 系列产品选型表

采用碳化硅器件能够大幅缩小装备体积，并显著降低损耗。因此，不论是应用在新能源汽车充电桩、电控模块还是车载充电模块上，碳化硅技术都能带来较强的优势。目前市场上主流的充电桩电源模块主要沿用通信电源的技术方案，基于硅功率器件进行设计，在效率和功率密度方面存在较大的提升空间。受到硅器件特性制约，传统的电源模块具有较低的器件工作频率和较高的器件开关损耗。较低的器件工作频率迫使电源模块采用较大较重的磁芯元件，降低功率密度的同时，也给电源模块降耗提效带来困难。

此外，过高的器件开关损耗将带来更大的结温波动，影响功率器件寿命，进而影响充电模块的使用寿命。频繁更换电源模块将增大充电桩的运维成本。纵观当前市场，目前应用第三代半导体的大功率液冷充电桩可以做到最大功率600KW，而480KW的大功率充电桩已经在普及阶段。理论上续航1000公里的电池10%~80%充电时间可压缩到10分钟左右。这离不开功率半导体不断迭代更新。从发展势头看，电车充电速度追上加油速度，将不再是镜花水月。

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