显著提升充电桩充电效率，基本半导体应用于高压快充的E2B碳化硅功率模块方案解析

时间： 2024-07-08 来源：基本半导体微信公众号

技术问答

摘要

充电桩采用碳化硅模块可以增加近30%的输出功率，减少50%的损耗。目前在充电桩领域，碳化硅应用处于快速增长阶段，预计到2025年将提升至35%，市场规模将达200亿元。

近年来，充电时长已经成为影响新能源汽车驾驶体验的关键因素，市场对提高车辆充电速度的需求变得越来越迫切。高电压和大电流都可缩短充电时间，但考虑到铜线损耗的因素，高压大功率比大电流方案更有效率。而要提升充电速度，必然要关注大功率充电，在不提高整车电压平台的条件下，必须增大充电电流，但这样也会导致端子、线缆的发热量增加，继而温度升高。持续高温容易损害充电装置，严重的还会引发安全事故，为避免这种情况，必须将充电枪端子及线缆的发热量及温升降低，常用的方法就是增大导体截面积。然而增大导体截面积后会增加线缆的重量，用户使用会很不方便。考虑到充电枪的电流约束，最适合的办法是通过提升电压平台实现大功率充电。

图1 高压快充架构下电池系统成本与低压大电流架构的对比

目前主流车企均在布局高压快充车型，预计2026年800伏以上高压车型销量将过半，但我国适配高压快充的高压充电桩数量不足。为此，主流车企和充电运营商正加快研发推出大功率快充桩，亟需更耐高压、耐高温、更小型化的新型功率器件，以满足充电设备对效率和安全的更高要求。

作为第三代半导体材料，碳化硅具有宽禁带、高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率等优异特性。与传统硅材料比较，碳化硅器件能有效满足充电桩设备耐高压、耐高温、更小型化新型器件的需求，帮助实现新能源汽车快速充电的目标。此外，碳化硅还能提高单位功率密度，减小模块体积并简化电路设计，对降低充电桩成本起到重要作用。

图2 传统硅功率器件单向充电桩方案

图3 碳化硅功率器件双向充电桩方案

传统硅方案充电桩模块电源中，DC/DC拓扑采用650V硅基超结MOSFET组成两个全桥串联的LLC，使用1200V碳化硅MOSFET以后，系统可以简化为一个LLC谐振回路，器件数量大幅度减少，有利于提升系统可靠性。尤其是关断损耗更小的碳化硅MOSFET，更适合充电桩电源模块DC/DC部分的LLC/移相全桥等电路拓扑。

同时，1200V/40mΩ碳化硅MOSFET分立器件在风光储充、车载充电、汽车空调等领域的电源模块上被广泛应用，规模优势使碳化硅MOSFET成本进一步降低，使得用1200V碳化硅MOSFET的系统成本比使用650V硅基超结MOSFET的更低，产品更具有竞争力。

图4 基本半导体1200V碳化硅MOSFET

此外，大功率（50kW~60kW）的充电模块功率密度高，体积有限，如果采用分立器件，并联数量会很多，给均流、安装和散热带来了非常高的挑战，而采用碳化硅 MOSFET模块方案，则可以很好地解决上述问题。

图5 基本半导体1200V碳化硅MOSFET E2B半桥模块在充电桩中的应用

基本半导体Pcore^TM2 E2B 全碳化硅半桥MOSFET模块 BMF240R120E2G3基于高性能晶圆平台设计，在比导通电阻、开关损耗、抗误导通、可靠性等方面表现出色。高温(Tvj=150℃)下的R_DS(on)参数仅比常温(Tvj=25℃)时增加1.4倍左右。产品内置碳化硅肖特基二极管，使得续流二极管基本没有反向恢复行为，大幅降低模块的开通损耗。产品还引入氮化硅(Si₃N₄)AMB陶瓷基板及高温焊料，可改善长期高温度冲击循环的CTE失配，陶瓷板的可靠性大幅提升。

图6 Pcore^TM2 E2B 全碳化硅半桥MOSFET模块BMF240R120E2G3

在高压快充的大背景下，以基本半导体为代表的碳化硅功率器件企业将不断加大研发力度，确保先进技术能紧跟行业趋势和市场需求，为充电桩设备制造企业提供更高性能的碳化硅功率器件。随着新能源汽车、光伏产业的快速发展，碳化硅器件在电力设备行业中还将有更广泛的应用，其市场规模还有巨大的成长空间，预计碳化硅功率器件在光伏逆变器的渗透率将从 2020年的10%增长至 2048年的85%。

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型号- IV2Q12040BD,IV1B12009HA2L,IV1D12030BD,IV2Q07014T4Z,IV1Q12050D7Z,IVST12017MA1L,IV2Q12100BD,IV1Q12017T4ZG,IV1Q12160T4Z,IVST12080DA1L,IVCR2405DR,IV2Q12040T4Z,IV1D06020BD,IVCR1412SR,IV2Q12013T6Z,IV2Q06060BD,IV1Q12080T3Z,IV2Q171R0BD,IVCO1A01DQR,IV1Q12750T3,IV2Q12030D7Z,IV1D12015BD,IV2Q07014BA,IV2Q07014BD,IV2Q12160T4Z,IV1D06006F5,IVCO1A01DR,IV1B12013HA1L,IVSM12040HA2Z,IVSM07060HA2Z,IV2Q12200T4Z,IV2Q06060L1,IV1D06010O2,IVCO1A02DWR,IV1Q12030BDG,IV1Q12080T4Z,IV1Q12750BD,IV2Q171R0T3,IVCC1102DR,IV1Q06060BDG,IV2Q12040K1Z,IV1D06020T2,IV3D12060U3,IV1Q12050T3,IV1D12020T2,IV1Q12080BD,IV1Q12050T4,IVST12050SA1L,IVCR2504DR,IV1Q12017BDG,IV1D06006BD,IV1D06004O2,IV1D12020T3,IV1Q06060D7G,IV2Q12160BD,IVCR2402DR,IV2Q12160D7Z,IV2Q06040BD,IV2Q12017BD,IV1D12040U3Z,IVCR1801ASR,IVCO1A02DWQR,IV2B12003HA2L,IV1D06020U3Z,IV1Q06040T4Z,IV2Q12017BA,IV3D12030U3,IV1Q06060T4ZG,IV2Q12013BD,IV2Q12013BA,IV1D12010O2,IVCC1102F4AR,IVCO1412DDWQR,IVST12040DA1L,IV1D06010T2,IVCR1401DR,IV1Q12080T3,IV1D12020BD,IV1D12040U3,IV1D06004P3,IV1Q12080T4,IV3D12015T2,IV2Q12080D7Z,IVCR2404MPQR,IV2Q06025BD,IVTM12080TA1Z,IV2Q06040L1,IV2Q17020T4Z,IV2Q20045BD,IV3B20023BA2,IV3D12030T2,IV2D12002BD,IVCO1A02DQR,IV1D12005BD,IVCC1104F4AR,IV2Q06025T4Z,IV2Q06040T4Z,IV2Q06060O3Z,IV1Q06060T4G,IV1D12040T2,IV2Q12100D7Z,IV2Q171R0D7Z,IV2Q06025L1,IVST12050MA1L,IVST12160DA1L,IVCR2403DR,IV1Q06040BD,IV1Q12160T3,IV1Q12160T4,IV1B12025HC1L,IV1Q12017BAG,IV2Q12200D7Z,IV2Q20045T4,IV2D12020T2,IV2Q12200BD,IV2Q06060T4Z,IV2Q12030T4Z,IV2Q12040D7Z,IV2D12020BD,IV1D12040BD,IV6212004HA2,IV1Q06060T3G,IVCR1407ASR,IV1Q12050BD,IV1Q12017T4G,IV1D12010T2,VSM12080HA2Z,IVCR1402DPQR,IV1D06004F5,IV2B12006HA1L,IVCO1411DDWQR,IV1Q06040T4,IV1Q06040T3,IV1D06010BD,IV1Q12160BD,IV1Q12750O3,IV1Q06040L1,IV1Q12160D7Z,IVCC1104DR,IV2Q12080BD,IV2Q175S0BD,IV2Q06025D7Z,IV6212004HB2,IVSM06025HA2Z,IVST12017SA1L,IV1D12030U3,IV1D20020T2,IV1D06004BD,IV1D06006O2,IV2D12020D2Z,IV2Q06040D7Z,IV2Q12017T4Z,IVCR2404DR,IV2Q06060D7Z,IVCO1A01DWR,IV1Q12030T4G,IV2Q17020BD,IV3D12020T2,IV1D12010BD,IV2D12002P2,IV2Q12030BD,IVST12120DA1L,IV2Q12080T4Z,IV1D06020U3,IVCO1A01DWQR,IV1D12030T2,IVHD122M1TA2Z,IVCO1A02DR,IV1D06006P3,IV1Q12050T4Z,IVCR2404MPR,IV1D12010P2Z,IV2Q12100T4Z,IVCR1401DPR,IV1Q06060L1G,IV2Q12080K1Z,IV1Q12080D7Z,IV2Q171S0BD,IV1D20020BD,IV1D12015T2,IV2D12002O2,IVSM12160HA2Z,IV1D12005O2,IV2Q171S0S1

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