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碳化硅器件全面进入电动汽车充电桩

来源:电子工程专辑发布时间:2023-10-10

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电动汽车(EV)的普及在很大程度上取决于能否成功地扩大其实际行驶范围，使其超出城市市区的行驶界限。要做到这一点，就必须稳步提高电池组的容量以及相关功率电子设备的效率。与此同时，消费者还期望缩短充电时间，并在广泛的地域范围内体验到更方便的充电方法。这两种趋势相互竞争和促进，最终推动了EV充电桩本身的发展。

电池容量和充电桩发展趋势如图1所示。在过去五年中，电池容量增加了一倍多，充电桩的供电能力几乎增加了两倍。这得益于电池化学和结构技术的飞跃，以及充电侧电路拓扑和元器件的巨大进步。

图1：电池容量和充电桩发展趋势。

EV充电桩的原型中包含大量构建模块。其中的三相交流电源，采用高效率有源器件进行整流，同时控制功率因数校正。输出电流和电压受到监控，并以400～1000V的电压馈入EV电池。而并联和隔离低压域则用于所有高压功率电子部件的控制，其中包括交直流转换器、微控制器和各种接口。

为了满足这些高性能和高效率EV充电设计的需求，罗姆公司提供了广泛的有源和无源电子器件产品组合，这些产品专门针对EV充电应用进行了量身定制，特别是碳化硅MOSFET和二极管以及配套的栅极驱动器。

碳化硅MOSFET：推动EV向前发展

碳化硅是一种宽带隙半导体，因其具有高耐压、高功率密度、低导通电阻和出色的热传导性，从而在功率电子领域占据着中心地位。这些特性都非常适合EV充电桩内的许多功能。

如图2所示，罗姆的第四代碳化硅MOSFET采用专有的沟道结构，在保持高压工作的同时，降低了有源区的导通电阻，因此该器件是目前业内损耗最低的器件，具有开关速度快、可靠性高和实施简便等特点。

图2：第四代碳化硅MOSFET的导通电阻降低效果示意图。

除了减少器件有源区的传导损耗外，寄生电容也得到了显著改善。这有助于减少这些寄生电容高速充放电时的功耗，避免自导通。最终结果是发热量大幅减少，散热片尺寸可减小40%，如图3所示。

图3：第四代SiCMOSFET开关损耗性能的改进。

第四代沟道设计的另一个重要特点是阈值电压明显提高。在典型的桥式电路中(如图4所示)，经常会出现MOSFET过快导通的风险，从而导致另一个器件也因寄生Cgd耦合而意外导通。由于瞬态馈通电流的存在，这会大大增加开关过程损耗。为了减轻该影响，通常需要利用专门的负电源偏置，迫使MOSFET处于关断状态。这种额外的供电增加了成本，使设计复杂化，并引入了新的潜在故障源。

而这种第四代碳化硅MOSFET具有更高的阈值电压，可在不增加栅极负偏置的情况下实现可靠运行。即使在结温较高的情况下，这种沟道式设计也不会在快速开关过程中出现自导通。

图4：MOSFET桥式电路中的自导通效应。

由于涉及高电压和大电流，EV充电桩的可靠性至关重要。在这一应用领域中，MOSFET的一个关键可靠性指标是短路耐受时间(SCWT)。在这种第四代碳化硅MOSFET中，由于采用了独特的器件结构，尽管降低了特有的导通电阻，但仍能获得较小的饱和电流。与传统结构相比，该器件在短路条件下的耐受时间更长。如图5所示，该器件在短路条件下可保持5.54µs才失效。与之前的竞争产品相比，这是一项重大的改进。