功率半導體挾Level 3快充擺脫EV里程焦慮

作者 : Steven Shackell,安森美半導體工業業務發展部門

最新一代功率半導體用於高能效電源轉換拓撲中,透過快速直流充電樁設計解決對於電動車 「里程焦慮」的問題…

電動車(Electric Vehicles;EV)的使用仍受到「里程焦慮」問題和消費者不願在道路上等待數小時充電時間的阻礙。然而,隨著全國各地佈建越來越多的充電樁,「直流快速充電」有望將等待時間縮短至以分鐘計算。這些大功率充電樁,額定功率達350 kW,必須利用最新的電源轉換拓撲結構和半導體開關技術,盡可能提高電源能效,以實現成本效益。本文介紹典型的設計方法,對功率元件的一些選擇和折衷以及最新的寬能隙半導體可帶來的優勢。

電動車確實正朝向更廣泛被接受發展,其銷售成長率約60%。然而,同樣的分析也表明,到2018年底,市場滲透率僅2.2%,因此電動車要成為主流前還有很長的路要走。儘管如此,製造商仍承諾,預計到2023年將有400多款電動車車型上市。

有許多因素影響人們放棄使用電動車的決定,其中最重要的是購置成本,還有「里程焦慮」的問題。電動車用於短途通勤和當地交通可能沒有問題,因為家用充電器會在夜間「充電」,真正令人擔憂的是,行駛里程通常達不到300英哩,對於長途旅行來說不敷使用,尤其是在公共場所充電點很少且隔得很遠。如果充電需要花費幾個小時的時間,那麼使用電動車就很難實行了。即使是在家對電量耗盡的100kWh電池充電—如特斯拉(Tesla),從240VAC的電源充滿電可能需要14個小時,導致第二天幾乎不夠使用。但是,現在有「快速」直流(DC)充電樁可用,充電時間以分鐘而不是小時來衡量。

充電樁分級

在家、辦公室和路邊有不同的充電選擇,對術語也有一些爭議,但普遍認為「1級」(Level 1)使用常規120VAC (歐洲為230/240VAC)家庭插座,充電速度最慢。「 2級」(Level 2)利用240VAC或有時通過安裝的內建控制和保護的充電樁使用400VAC三相,但這仍基於家庭使用,提供更快的充電速率。Level 1和Level 2均使用車載充電器為電池產生直流電。3級(Level 3)指從靜態交流-直流(AC-DC)轉換器直接向電池進行直流充電,通常是在加油站,需要使用三相AC電源。這種配置的最大功率350kW,充電時間縮減至數分鐘,類似於為內燃機(ICE)車輛加油所需的時間。 1總結了在美國電動車三種充電級別的表現。1:充電級別和性能(美國)

快速充電樁技術

最高要求的設計是功率達350kW的3級充電器。低成本始終是需優先考慮的,轉換能效也是關鍵。每浪費一瓦特(W)就意味著更高的電費、更少的電池電量和更長的充電時間,而過多的熱損失也降低了電動車的環保優勢。高能效還降低冷卻硬體的需求,從而有助於縮減成本和尺寸。2給出了典型的DC快速充電樁方塊圖,並重點顯示主要元素。2:典型的快速直流充電樁方塊圖。

在幾千瓦級,通常使用「維也納(Vienna)整流器」來實現三相AC整流和功率因數校正(PFC)。這可採用兩種不同的拓撲(3)。拓撲1的元件較少​​,能效最高,但是二極體必須是相對昂貴的1200V類型,且六個開關需要複雜的控制。而拓撲2僅使用三個開關,控制較為簡單,且二極體可以是600V類型,但能效較低,因傳導路徑中有更多的二極體。在每種拓撲中,都可用高壓矽(Si) MOSFET或碳化矽(SiC) MOSFET,但為了盡可能降低成本,如果將頻率保持在較低水準,則可考慮使用IGBT。安森美半導體(ON Semiconductor)為此提供了多種元件選擇,例如,其「 第4代場域截止」(Field Stop 4)元件可提供650V或950V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損耗的EOFF值。在較高的額定電壓下,可能需要基於IGBT的三相半橋整流器/PFC級,安森美半導體的「 超場域截止」(Ultra Field Stop) 1200V元件也有低速和高速版本,具有同類最佳的VCESAT和EOFF。3Vienna整流器拓撲。

Vienna整流器級為幾種拓撲之一的主DC-DC轉換級產生穩定的高壓匯流排。常見的實施是4所示的全橋交錯LLC和三級LLC。交錯版本可使用650V 超結MOSFET,因每個MOSFET只有一半的電源電壓。這些屬於安森美半導體SuperFET III技術,分為三個版本:「易驅動版本」(Easy Drive)整合閘極電阻以降低電磁干擾(EMI)和電壓尖峰;「快速版本」(Fast)用於硬開關應用中實現最高能效;「快速恢復版本」(FRFET)整合同類最佳的體二極體,用於LLC等諧振轉換器中實現最佳性能。4:替代轉換器拓撲。

為了獲得更高能效和功率密度,可使用900V/1200V SiC MOSFET,以在較高的開關頻率下使用較小的磁性元件,抵消較高的元件成本。高額定電壓允許僅使用單個H橋,無需交錯,開關數量更少,從而再次節省成本。對於成本非常敏感的應用,可使用場域截止系列的650V或1200V IGBT,但開關頻率較低,因此磁性元件更大且成本更高。輸出二極體可以是1200V的‘Stealth’或‘Hyperfast’矽類型,也可以是損耗更低的1200V SiC類型。

三級LLC拓撲使用較少的二極體和開關,整合相關的隔離型閘極驅動,儘管需要三個變壓器,但輸出紋波要低得多。同樣地,可使用超結Si或SiC-MOSFET或IGBT,具體取決於對性能/成本的權衡。

寬能隙SiC提供廣泛的性能改進

選擇使用碳化矽(SiC)寬能隙(WBG)開關和二極體有很多好處。快速、低損耗的高壓開關可減少系統成本、尺寸和重量,同時節能。實驗比較了使用Vienna整流器的方案和整合SiC的三相半橋整流器/ PFC的全橋LLC轉換器,結果顯示,採用 SiC版本的方案,功率輸送量提高了25%,重量減少22%,體積減少62%,元件數減少20%,從而使產品更可靠。

封裝技術也在持續進步中

是否充份利用功率半導體通常取決於封裝,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。安森美半導體創新的PQFN、LFPAK和TO無鉛封裝有助於解決這一問題,同時提供增強的熱性能。為了顯著減少生產裝配時間和元件數,可考慮使用功率整合模組(PIM),PIM將多個元件整合在一個封裝中,包括IGBT、Si和SiC MOSFET、混合Si和SiC二極體的模組以及檢測電阻等其他元件。預整合的PIM的性能是有保證的,消除了開發風險,減少了元件庫存並加快了產品上市時間。

最新一代功率半導體用於高能效電源轉換拓撲中,透過快速直流充電樁設計解決對於電動車 「里程焦慮」的問題。

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