SiC模块加速大功率能源基础设施设计

March 2, 2023

Fanny Hu

发布于2022-11-18

从低功耗物联网传感器到大功率太阳能逆变器，电源转换几乎是各种设计中都必须具备的基本功能。在可再生能源和电动车普及率增长的大趋势下，高效可靠的电源转换是非常重要的。本文将重点围绕宽禁带碳化硅 (SiC) 技术，介绍其发展趋势，探索这项技术面临的电子工程挑战，并阐释如何迅速将这项技术投入实用。与其他半导体工艺技术相比，SiC在效率和尺寸上具有优势，是大功率应用的理想选择。

本文中，我们将专注于电动车直流快速充电器这一项应用，以此为中心来详述典型充电器面临的工程挑战和采用的高级架构。我们将简要论述分立式与模块化方法的设计注意事项，然后介绍onsemi（安森美）的F1半桥模块。

大功率能量转换面临的挑战

电源转换是一个很宽泛的话题。不论是对于电池供电的边缘节点物联网传感器，还是对于大型的商用太阳能发电转换器，电源转换和管理都是非常重要的，它们之间的区别在于所涉及的功率等级。与太阳能发电装置动辄上千瓦的功率相比，传感器的工作功率可能只有几毫瓦。电源转换对于从一个电压等级转换到另一个电压等级而言至关重要。例如，物联网传感器的微控制器通常需要工作在3.3V或5V的电压下，然而该应用常用的电池化学物质的标称电压为3.7V。更大功率的应用，例如太阳能充电转换器、不间断电源和电动汽车充电器，也会面临同样的问题。此时，就需要从一种电压转换为另一种电压。尽管这些应用的功率差异巨大，但转换效率对于它们都是至关重要的。在大功率转换应用中，低效的电源转换会导致能量以热量的形式损失。大量的废热必须消散掉，才能保持电子电路不至于过热，从而可靠地工作。消散热量，并将其从电源转换半导体带走，正是工程师面临的一大热挑战。

宽禁带碳化硅半导体技术

在任何大功率电源转换应用中，转换效率主要由功率半导体的特性决定。半导体的多种特性都会导致设备内部发生能量损失，从而产生热量。虽然半导体的导通电阻R_DS(on)仅以毫欧 (mΩ) 为单位进行测量，但在涉及数百乃至数千安培的高功率应用中，它完全可能成为一项重要因素。硅基 (Si) 半导体技术已达到其热性能和电子性能的极限；而随着全球对能源效率的日益重视，新的半导体工艺技术已经出现。

包括碳化硅 (SiC) 在内的宽禁带半导体工艺技术，可提供比硅更好的热性能和电子性能，可以工作在更高的开关频率、电压和温度下。图1比较了不同半导体材料和用例的功率处理和开关频率特性。

图1 不同半导体材料的功率、开关频率和用例（图源：onsemi）

与硅相比，SiC具有诸多优势，包括热导率提高3倍、能带隙提高3倍等。借助SiC，许多应用都可以采用高达1200V的开关电压，而硅基器件的开关电压只能达到600V。这样一来，SiC MOSFET等SiC半导体在电动车充电器等大功率电源转换应用中得到越来越广泛的应用，也就不足为奇了。SiC器件还可以在更高的功率密度下运行，有助于让设计变得更小巧，这对于空间有限的电动车充电器和路边充电基础设施而言是非常关键的。

随着SiC工艺技术的成熟，更小的工艺节点可实现更小且价格更具竞争力的MOSFET，进一步加速其在市场上得到应用的步伐。

探索电动车直流快速充电器的架构

电动车发展壮大的一项关键要素，在于充电基础设施是否得到普及。借助车载充电器，电动车可以在夜间通过家用电源进行充电。这种方法虽然简单，但充电速度很慢。要让充电更快，就需要使用直流快速充电器，其工作功率大于家用电源所能提供的功率，因而需要大量电力基础设施来支持。直流快速充电器的功率通常不小于20kW，预计充电时间仅需两小时。更高功率容量的充电站甚至能够达到350kW，可将充电时间缩短至十分钟以内。

负责设计电动车直流快速充电器的工程师面临着多种开发限制，其中最重要的一点是，电动车充电基础设施是完全无人看管的，而且需要工作在受雨水、灰尘和极端温度影响的室外环境中。此外，工作的可靠性也至关重要——如果偏远地区本就有限的充电基础设施出现故障的话，驾驶员真的会被困住。

更高的设计目标，就意味着更加严格的能效目标、更高的用户安全性要求和更有效的散热措施，无论所在位置的环境温度如何。电动车充电桩必须适应市电电源转换、充电监测、与车辆控制系统交互以及与服务提供商计费系统通信等各方各面。物理空间总是非常宝贵的，机械工程师需要在充电站内根据散热要求分配足够的空间余量。此外，充电基础设施还应符合所有相关的电气安全、功能安全和车辆充电标准（包括CCS、CHAdeMO、特斯拉超充等），而且高频、大功率开关转换器还必须符合所在国家和地区的电磁干扰 (EMI) 标准。

图2所示即为电动车直流快速充电器的基本架构，其两大主要组件是AC/DC三相功率因数校正 (PFC) 或有源前端 (AFE) 功能模块和大功率隔离式DC/DC转换器。大功率充电站通常要用到多个15kW至75kW的子单元来实现所需的容量。

图2 电动车直流快速充电器的架构（图源：onsemi）

上述每个功能模块都可以采用不同的拓扑结构来实现。例如，PFC升压级可采用T-中性点钳位 (T-NPC) 拓扑结构，DC/DC转换可采用全桥LLC零电压开关 (ZVS)。

图3所示为一种用于电动车充电器的典型三相PFC升压转换器，它在T-NPC拓扑中使用了1200V SiC MOSFET模块。

图3 使用T-NPC拓扑结构的典型三相PFC级（图源：onsemi）

对于DC/DC转换器级，采用半桥SiC MOSFET模块实现的双有源桥拓扑结构可实现紧凑、高效的布局。

SiC模块为电动车充电基础设施提供高效、优化的解决方案

虽然电源工程师可以使用分立式SiC MOSFET构建电动车充电器的PFC和DC/DC转换器级，但封装的SiC MOSFET功率集成模块 (PIM) 在空间和热管理方面更具优势。onsemi NXH006P120MNF2PTG 2-PACK SiC MOSFET模块就是此类产品的一个例子。该半桥模块在紧凑并且热效率出色的F2封装中集成了一个6mΩ Rdson 1200V MOSFET和一个热敏电阻（见图4）。

图4 onsemi 1200V 10mΩ SiC MOSFET和集成式热敏电阻，采用热效率出色的F2封装（图源：onsemi）

该SiC半桥MOSFET模块适用于太阳能逆变器、电动车充电和工业电源应用。

在图5中，25kW电动车充电器的PFC和DC/DC转换器级采用了NXH010P120MNF1模块，其中6组PFC功能模块（左）可提供功率因数校正、AC/DC转换，并将DC输入电压升压至800V，供DC/DC转换器使用。

图5 使用onsemi NXH010P120MNF1 SiC MOSFET模块的25kW电动车充电器的功能架构（图源：onsemi）

图6所示为带有初级和次级功率集成模块 (PIM) 的双有源桥布置，图中未显示其散热和强制风冷风扇。DC/DC转换器可在车辆与三相电源之间提供隔离，并根据电动车电池管理系统的要求调整输出电压和电流。

图6 带有初级和次级功率集成模块 (PIM) 的双有源桥布置

onsemi SiC半桥模块紧凑的尺寸、低R_DS(on)、出色的热优化和高频特性使其成为了高功率EV充电基础设施应用的理想选择。