使用SiC MOSFET实现快速直流充电，告别里程焦虑

January 19, 2023

Fanny Hu

发布于2023-01-20

世界各国政府都在推动私人和商用车车主转向使用更环保的替代品，例如电动汽车 (EV)。然而，这一改变的最大障碍之一便是车辆续航里程问题。大多数中低端电动汽车可以在需要充电之前完成数次行程。但是，如果你计划长途旅行，在途中为电动汽车充电仍然比内燃机车辆加油需要更多的时间。

各方面正在努力通过开发与内燃机车辆加油相媲美的快速直流充电解决方案来缩短充电时间。与使用家用交流电的电动汽车车载充电器 (OBC) 不同，快速直流充电器绕过OBC，直接向电动汽车的电池充电电路输送能量。而且，与交流充电器不同，此类充电器可以在10分钟内将电动汽车充电至80%的电量。

电动汽车快速直流充电器

快速直流充电器的输出功率在35kW和50kW之间，工作电压高达800V。高功率充电器通常安装在高速公路服务站。电动汽车能否吸收这样的能量取决于它的设计和电池。当今大多数电动汽车的充电功率都限制在300kW以下。

对于如此高功率和高电压的应用，存在很多工程挑战，涉及安全性和可靠性、可用性、效率、尺寸以及运营和采购成本。迄今为止，一直都依赖于硅基IGBT和MOSFET。然而，由于Wolfspeed等供应商引入了宽禁带半导体（如SiC），SiC MOSFET正迅速成为电源开关的首选。

电动汽车充电器转向SiC MOSFET

快速直流充电器的核心可分为两个关键模块（图1）：

AC/DC级，将输入的交流电转换为直流链路电压
DC/DC转换器，为电动汽车电池提供直流电

此外，还有支付机制、人机界面和连接元件。这种充电器的功率传输部分由多个模块构成，每个模块的总功率通常在15kW到50kW之间。

图1：用于电动汽车快速直流充电器的电源转换器简化框图（图源：Wolfspeed）

工程师们以尽可能高的效率和功率密度为主要设计目标，以期能够交付出更小更轻且散热性能更佳的模块。

采用Wolfspeed SiC MOSFET的有源前端

对于AC/DC级，有源前端 (AFE) 是使用六个开关频率为20kHz的硅基IGBT实现的常见拓扑。22kW AFE级有望实现97.2%的高峰值效率。然而，功率密度只有大概3.5kW/L，热设计相关元件占系统成本的20%。

这就是为什么设计师转向SiC的原因。与硅基替代品相比，SiC MOSFET的R_DS(ON)随温度升高而增加的幅度较小。在应用温度下，其R_DS(ON)低于硅，热耗散更低。WolfspeedWolfPACK™电源模块中采用21mΩ SiC MOSFET的1200V CCB021M12FM3等器件，堪称AFE拓扑结构的理想之选。

这种SiC MOSFET具有高达45kHz的较高开关速度，与基于IGBT的AFE相比，能够使用更小的扼流圈。而且由于产生的散热量减少，散热成本仅占整个系统成本的10%。

此外，还提供了适用于快速直流充电器应用的25kW AFE参考设计CRD25AD12N-FMC（图2）。由于使用了WolfPACK三相配置模块，这种双向设计可实现98.5%的峰值效率和>4.6kW/L的功率密度。

图2：具有Wolfspeed WolfPACK™电源模块的25kW双向AC/DC AFE适用于快速直流充电器设计（图源：Wolfspeed）

DC/DC级从硅基转向SiC MOSFET

SiC还可以在DC/DC级取代硅基产品。在DC/DC谐振LLC转换器中，工作频率约为100kHz的硅基开关可以实现97.5%的峰值效率和3.5kW/L的功率密度。然而，功率要求通常需要交错设计，进而会增加组件的数量和复杂性。

采用分立器件的SiC MOSFET（如Wolfspeed C3M0032120K）可以将开关速度提高至250kHz。此系列四引脚TO-247-4封装SiC MOSFET还具有开尔文引脚。在硬开关、高电流和高频拓扑中，这有助于减少串扰和开关损耗。与使用三引线SiC器件相比，这些损耗最低可降低四倍。谐振CLLC参考设计CRD-22DD12N在22kW双向DC/DC转换器的设计中仅使用了八个分立SiC MOSFET（图3）。作为快速电动汽车充电器设计的一部分，它可以在8kW/L的功率密度下实现超过98.5%的峰值效率。

图3：这种双向DC-DC参考设计利用了Wolfspeed的C3M0032120K分立SiC MOSFET的性能（图源：Wolfspeed）