解决电动汽车里程焦虑：利用功率半导体进步实现3级直流

shuszhao

无可否认，电动汽车越来越受到广泛接受，据有关市场分析，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，因为可使用家用充电器在夜间为电动汽车充电。真正让人却步的是，电动汽车行驶里程一般少于300英里，这对于长途驾驶来说就不够用。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得以实行。即使是在家中用240VAC电源为已耗尽电量的100kWh电池(如在特斯拉中)充满电也可能需要14个小时，这就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、办公室和路边充电有不同的充电方案，大众可能对术语也有一些争议，但普遍认可的是，“1级(Level 1)”是指使用常规120VAC家庭插座（欧洲为230/240VAC）进行充电，这种充电速度最慢。“2级”是指利用240VAC，或有时指利用内置控制和保护的已安装充电桩所提供的400VAC三相电进行充电。Level 2可提供更快的充电速率，但这仍然是基于家庭使用。Level 1和Level 2均利用车载充电器为电池产生直流电。3级是指利用静态AC-DC转换器直接向电池进行直流充电，这通常是在加油站，并需要使用三相AC电源。这种配置的最大功率为350kW，充电时间可缩减至数分钟，这类似于为内燃机（ICE）车辆加油所需的时间。图1总结了在美国电动汽车三种充电级别的表现。

                               
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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350kW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。每浪费一瓦特电就意味着更高的电费、更少的电量提供给电池，以及更长的充电时间，而过多的热量损失也降低了电动汽车的环保优势。高能效还可降低冷却硬件的需求，从而有助于缩减成本和尺寸。图2展示了典型的直流快速充电桩框图，并重点显示了主要元素。

                               
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图2：典型的快速直流充电桩框图。

数千瓦级别的充电桩通常使用“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显示了两种不同的拓扑。拓扑1的器件较少​​，能效最高，但是二极管必须使用较昂贵的1200V类型，并且六个开关需要提供复杂的控制。而拓扑2则仅使用三个开关，控制较为简单，且二极管可以是600V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，都可使用高压硅(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半导体[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650V或950V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，安森美半导体的“超场截止(Ultra Field Stop)”1200V器件也有低速和高速版本，并具有同类最佳的VCESAT和EOFF。

                               
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图3：Vienna整流器拓扑。

Vienna整流器级用于为主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是最常见的实现方法。交错版本可使用650V超级结MOSFET，因为每个MOSFET只有一半的电源电压。安森美半导体的SuperFET III技术可实现这些拓扑，它分为三个版本：“易驱动版本(Easy Drive)”集成了栅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)”具有同类最佳的体二极管，可用于在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。

为了获得更高的能效和功率密度，工程师可使用900V/1200V 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。高额定电压支持仅使用单个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650V或1200V IGBT，但其开关频率较低，因此磁性元件更大且成本更高。输出二极管可以是1200V的“Stealth”或“Hyperfast”硅类型，也可以是损耗更低的1200V SiC类型。
三级LLC拓扑使用较少的二极管和开关，集成了相关的隔离型栅极驱动，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，同时实现节能。我们通过实验对使用Vienna整流器和全桥LLC转换器的硅方案与基于碳化硅的三相半桥整流器/PFC和全桥LLC转换器进行了比较，结果显示，采用SiC版本的方案，功率输出提高了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。安森美半导体创新的PQFN、LFPAK和TO无引脚封装可解决这一问题，同时提供了增强的散热性能。为大幅减少生产装配时间和器件数，可考虑使用电源集成模块(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产品上市时间。


总结

在高能效电源转换拓扑中采用最新一代功率半导体，可实现快速电动汽车直流充电桩设计，解决“里程焦虑”问题。安森美半导体垂直集成了提供IGBT、Si和SiC MOSFET以及二极管的所有工艺，可提供完整的电源方案，并且提供了一系列全面的支持器件，例如模拟和数字控制器、隔离栅极驱动器、低损耗电流检测放大器和光耦合器。

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办公室和路边充电有不同的充电方案

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