為電動(dòng)汽車 (EV) 充電可能是一個(gè)漫長(zhǎng)的過程，通常需要通過家用交流電源進(jìn)行通宵充電。然而，3 級(jí)“快速”直流充電技術(shù)有望提供更快的充電能力，將充電時(shí)間從數(shù)小時(shí)縮短至數(shù)分鐘。在這篇博客中，我們將探討轉(zhuǎn)換效率如何依賴于高速電源轉(zhuǎn)換，以及新的寬帶隙技術(shù)如何非常適合這項(xiàng)任務(wù)。

充電時(shí)間與續(xù)航里程一樣重要

電動(dòng)汽車的采用正在增長(zhǎng)，并且隨著潛在的電動(dòng)汽車采用者開始進(jìn)行研究，有可能加速得更快。美國(guó)能源信息署 (EIA) 預(yù)測(cè)，從 2018 年到 2050 年，160.9 公里、321.8 公里和 482.8 公里范圍的乘用電動(dòng)汽車的綜合類別將增長(zhǎng) 29%。由于聯(lián)邦和州的舉措，以及促進(jìn)擁有電動(dòng)汽車可行性的激勵(lì)措施，考慮購(gòu)買新車的消費(fèi)者更有可能將電動(dòng)汽車選項(xiàng)列入他們的候選名單。無論潛在消費(fèi)者只是認(rèn)為它是“地球的正確選擇”，還是他們的研究采用了更詳細(xì)、更明智的方法，范圍很可能是關(guān)鍵的選擇標(biāo)準(zhǔn)之一。那些再深入一點(diǎn)的人會(huì)問汽車充電需要多長(zhǎng)時(shí)間。絕大多數(shù)車主將充電過程等同于給車輛加油，通常只需要 10 到 15 分鐘。然而，今天，大多數(shù)車輛都依賴車載交流充電方法，這可能需要一夜或至少幾個(gè)小時(shí)（表 1)。全國(guó)部署的大多數(shù)電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施目前是 1 級(jí)——通常來自家庭供電——或 2 級(jí)——三相停車場(chǎng)和零售點(diǎn)。汽車工程師協(xié)會(huì) (SAE) 定義了這些不同的充電級(jí)別。SAE 標(biāo)準(zhǔn) J1772 規(guī)定了 Level 1 和 Level 2 的充電插頭和插座布置。對(duì)于 Level 2 和 Level 3，SAE 規(guī)定了組合插頭和插座格式。

表 1：EV 充電站類型表概述了 EV 充電級(jí)別、充電時(shí)間和功率要求。（來源：安森美半導(dǎo)體）

如表 1 所示，為了在類似于給油箱加氣的時(shí)間內(nèi)為電動(dòng)汽車充電，您需要一個(gè) 4 級(jí)充電器和一輛能夠進(jìn)行直流充電的車輛。4 級(jí)充電涉及的功率非常高，將設(shè)計(jì)重點(diǎn)從車輛的車載 AC-DC 充電器轉(zhuǎn)移到高功率、高效率的直流充電基礎(chǔ)設(shè)施。今天，4 級(jí)充電基礎(chǔ)設(shè)施在技術(shù)上是可行的，但會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)配電網(wǎng)絡(luò)提出巨大要求，這就是為什么 3 級(jí)充電器在充電時(shí)間、成本和電網(wǎng)負(fù)載之間取得平衡是一個(gè)很有前途的解決方案。

設(shè)計(jì) 3 級(jí)快速、大功率充電器

3 級(jí)充電站，也稱為“快速”充電站，最高可提供 500A 的電流，并且需要高效的三相電源轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中基于 Vienna 整流器的功率因數(shù)校正 (PFC) 和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器經(jīng)常使用的方法（圖 1）。這種 AC-DC 轉(zhuǎn)換方法使用來自電網(wǎng)三相電源的三個(gè)不同電壓電平，是一種實(shí)現(xiàn)所需輸出功率的高效、高密度、低物料清單 (BOM) 方法。

圖 1：插圖描繪了使用 Vienna PFC 轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的 EV Level 3 充電器。（來源：安森美半導(dǎo)體）

盡管使用 Vienna 拓?fù)溆泻芏嗪锰帲珜?duì)更高功率轉(zhuǎn)換開關(guān)頻率的需求和由此產(chǎn)生的開關(guān)損耗，再加上管理轉(zhuǎn)換損耗產(chǎn)生的熱量的需求，可能會(huì)加起來。這些，再加上充電位置帶來的空間限制，意味著電源設(shè)計(jì)工程師一直在尋找超越硅基二極管和 MOSFET 當(dāng)前特性和特性的半導(dǎo)體工藝技術(shù)。

寬帶隙器件

與傳統(tǒng)的硅技術(shù)相比，碳化硅 (SiC) 等寬帶隙半導(dǎo)體工藝技術(shù)提供更快的開關(guān)速度，這反過來又允許使用更小的電感器和電容器，從而降低 BOM 成本和所需的電路板空間量（圖 2） . SiC MOSFET 還表現(xiàn)出低得多的 RDS (ON)，因此具有較低的開關(guān)損耗特性，通常比硅 MOSFET 小 100 倍?？傮w而言，SiC 器件由于其更寬的導(dǎo)帶隙，具有更高的擊穿電壓，通常是硅介電場(chǎng)強(qiáng)度的 10 倍。SiC 還具有更高的導(dǎo)熱性，使設(shè)備能夠在更高溫度下運(yùn)行。將 SiC 二極管和 MOSFET 用于 3 級(jí)充電器的所有優(yōu)勢(shì)結(jié)合在一起，可產(chǎn)生更緊湊、效率更高和性能更高的充電站。充電器電路不僅更輕，而且組件的成本也可能更低。

圖 2：圖像提供了 SiC 器件的材料特性和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)的比較。（來源：安森美半導(dǎo)體）

安森美半導(dǎo)體 SiC 產(chǎn)品組合

ON Semiconductor是適用于 3 級(jí)充電器的基于 SiC 的寬帶隙二極管和 MOSFET 的領(lǐng)先供應(yīng)商。二極管包括 650V 和 1200V，提供多種封裝形式，包括 Decawatt 封裝 (DPAK)、TO-220、直接鍵合銅 (DBC) 和底板安裝模塊。一個(gè)例子是FFSH50120A，它是一種 50A、1200V 反向電壓肖特基 SiC 二極管，采用 TO-247-2 封裝制造，能夠在高達(dá) +175°C 的溫度下工作，功耗高達(dá) 730W。

SiC MOSFET 系列包括經(jīng) AEC-Q101 認(rèn)證的 1200V 汽車級(jí) N 溝道NVHL080N120SC1通孔安裝器件，可連續(xù)提供高達(dá) 44A 的電流，最大 RDS (ON)為 110mΩ。

基于碳化硅的寬帶隙二極管和 MOSFET 展現(xiàn)出用于 3 級(jí)充電站的完美性能特征。它們的高速開關(guān)特性、緊湊的尺寸和穩(wěn)健的特性使它們成為設(shè)計(jì)高功率、高能效和緊湊型充電器的理想選擇。

Robert Huntley 是一位獲得 HND 資格的工程師和技術(shù)作家。憑借他在電信、導(dǎo)航系統(tǒng)和嵌入式應(yīng)用工程方面的背景，他代表 Mouser Electronics 撰寫了各種技術(shù)和實(shí)用文章。

審核編輯黃宇