同类最佳的超级结MOSFET和具成本优势的IGBT用于电动汽车充电桩

2019-10-17 13:36:51 安森美

插电式混合动力/电动汽车(xEV)包含一个高压电池子系统，可采用内置的车载充电器(OBC)或外部的充电桩进行充电。充电(应用)要求在高温环境下具有高电压、高电流和高性能，开发高能效、高性能、具丰富保护功能的充电桩对于实现以尽可能短的充电时间续航更远的里程至关重要。常用的半导体器件有IGBT、超结MOSFET和碳化硅(SiC)。安森美半导体为电动汽车OBC和直流充电桩提供完整的系统方案，包括通过AEC车规认证的超级结MOSFET、IGBT、门极驱动器、碳化硅(SiC)器件、电压检测、控制产品乃至电源模块等，支持设计人员优化性能，加快开发周期。本文将主要介绍用于电动汽车直流充电桩的超级结MOSFET和具成本优势的IGBT方案。

电动汽车充电级和里程

充电桩按充电能力分类，以处理不同的用例场景。一级充电桩是120 V、输出15 A或20 A 的交流充电桩，每充电1小时增加约4至6英里里程。二级充电功率有3.3 kW、6.6 kW、9.6 kW、19.2 kW四种功率级别，适用于输出电流分别达20 A、20 A、50 A、100 A的240 V交流电源插座。直流快速充电(DCFC)桩的输入电压为440 V或480 V，能在30分钟内充到80%左右，用于公共充电桩。根据中国“一车一桩”计划，电动汽车充电桩总数在2020年将达480万个，电动汽车充电工程的450万个总安装量中将至少有200万个是大功率直流充电桩，且2020年后其它国家也将增加电动汽车充电桩。安森美半导体主要提供DCFC方案。

图1：电动汽车充电级和里程

电动汽车充电桩电源模块系统趋势

1. 增加输出功率以节省充电时间
充电桩将由现在主流的60 kW、90 kW发展到将来的150 kW、240 kW，相应地充电桩电源模块将由现在的15 kW、20 kW、30 kW提高到将来的40 kW、50 kW、60 kW，以缩短充满电的时间。
2. 提高功率密度以节省空间
这可通过提高开关频率Fsw以减少无源器件，并降低损耗以减少散热器来实现。
3. 提高能效以节能
安森美半导体定位于将满载能效从现在的95%提高到超过96%，超越能效法规。
4. 提高系统可靠性
这需要延长电解电容器使用寿命和确保在有尘、潮湿、热、寒区域等户外安装的高可靠性。

超级结MOSFET的优势和使用趋势

转向零排放电动汽车等节能减排趋势推动对中高压MOSFET的需求增加。平面MOSFET的导通电阻Rds(on)和损耗较大。且根据击穿电压与面积成正比，要获得更高的击穿电压需要更大面积的掺杂。超级结MOSFET能够显著降低导通电阻Rds(on)和门极电荷Qg。超级结MOSFET由于电荷平衡，在相同的掺杂下，面积是2倍，因此击穿电压也是两倍，且击穿电压与导通电阻近似线性关系，从而显著降低导通损耗和开关损耗。由于超级结MOSFET在快速开关应用中的能效和功率密度高，常用于高端应用。

电动汽车充电桩架构和安森美半导体的第3代超级结MOSFET方案

例如，210 kW 电动汽车充电点由14个15 kW模块组成，每个15 kW的电池充电器模块都是由3相交流380 V输入，经过3相Vienna 功率因数校正(PFC)后，电压升高到800 V直流电压，再经过高压DC-DC输出250 V至750 V直流电压。

图2：电动汽车充电桩架构

其中，3相Vienna PFC可选用安森美半导体的第3代超级结MOSFET (SUPERFET III)的易驱动(EASY Drive)/ 快速(FAST)系列，多级LLC可选用SUPERFET III 快速恢复(FRFET)系列。EASY Drive系列可内部调节门极电阻Rg和寄生电容，有极低的EMI和电压尖峰，适用于硬/软开关。FAST系列有减小的门极电荷Qg和输出电容储存能量Eoss，低开关损耗，高能效，适用于硬开关拓扑。FRFET系列集成一个高度优化的快恢复二极管，具有超低Qrr和Trr，最小化开关损耗并提高系统级可靠性，适用于软/硬开关拓扑。

图3：推荐的安森美半导体SUPERFET III方案用于电动汽车充电桩

SUPERFET III FRFET系列具有超低Qrr和Trr

在同等工作条件下对安森美半导体的SUPERFET III FRFET系列和Easy Drive系列进行比较，测得FRFET系列比Easy Drive系列的Qrr和Irr分别降低90%和73%。

安森美半导体的SUPERFET III FRFET优于竞争对手

在同等工作条件下，测得安森美半导体的SUPERFET III FRFET的门极电荷Qg、Trr、Irr、Qrr和Eoss比竞争对手都有不同程度的降低，降低幅度从8%到47%不等，并且有更低的导通电阻Rds(on)、关断损耗和同类最佳的二极管性能，因而提供更高的系统能效。

利用SUPERFET III FRFET避免输出短路故障

普通MOSFET在LLC拓扑中容易出现输出短路故障，而安森美半导体的SUPERFET III FRFET通过优化门极电荷Qg等参数可避免输出短路故障，使器件正常工作。

采用SUPERFET III FRFET的HF版本提高系统能效

安森美半导体SUPERFET III FRFET的 F版本在关断时是慢开关，因而有低尖峰Vds和低dv/dt，优势是更好的EMI性能。HF版本在关断时为快速开关，故有更低的开关损耗和更低的Ross，可提供更高的系统能效。

具成本优势的IGBT方案用于电动汽车充电桩

相比较超级结方案，IGBT可提供具成本优势的方案用于电动汽车充电桩。安森美半导体提供领先行业的场截止IGBT技术，其最新的第四代场截止(FS4) IGBT具备同类最低的导通损耗、开通损耗、关断损耗、体二极管损耗和更小的电压尖峰。推荐用于电动汽车充电桩的FS4 IGBT和整流器方案如下表所示。