onsemi|电动汽车直流快速充电器中的宽禁带半导体

电动汽车中的宽带隙 (WBG) 半导体

自本世纪初以来，许多因素推动了汽车中半导体的使用增加。电子稳定性控制等安全监控引领了一些最初的应用。

随后，娱乐和导航领域与智能手机和互联网的连接也越来越广泛。在过去的十年中，驾驶员辅助功能 (ADAS) 和动力系统的电气化极大地增加了汽车中的芯片总含量。正是在这些应用中，宽带隙半导体发挥了越来越大的作用。

例如，氮化镓 (GaN) 功率器件用于驱动激光雷达系统中的激光器，该系统用于许多新型汽车的半自动和全自动驾驶功能，而基于碳化硅 (SiC) 的功率器件则用于牵引逆变器应用。与传统硅 (Si) 基器件相比，WBG 功率器件的一些优势包括：

• 固有的材料优势（包括更高的电击穿场强）允许更有效地将器件缩放到更高的电压和功率水平。因此，给定电压下的传导损耗要低得多。

• 较小的器件会导致较低的开关损耗，因为寄生电容要小得多。

• 上述实现的更高开关频率可以通过使用更小的磁性元件来实现系统级节省。

• 冷却系统也可以做得更小，因为更低的功率损耗相当于更少的热量产生。特别是碳化硅器件还具有较低的热阻，并且在发动机舱的高温下具有更高的稳定性和可靠性。

• WBG 器件可实现更简单的拓扑，例如无桥图腾柱和 T 中性点钳位 (NPC) 有源前端电路。成本较低、复杂性较低的两电平转换器更容易以相对较高的效率水平实现。  

从客户的角度来看，上面列出的改进意味着紧凑型城市汽车的行驶里程更长，或者电池更小、更便宜。

据估计，使用 SiC 电池可节省超过 50 kWh 的净成本。

电动汽车和充电趋势

混合动力 (HEV) 和插电式混合动力 (PHEV) 电动汽车的牵引功率通常小于 100 kW。尽管 SiC 的使用正在增加，但牵引逆变器目前在该类别中以 Si IGBT 为主。100-220 kW 范围内的高性能电动汽车、卡车和 SUV 越来越多地使用 SiC。

趋势是 >100 kW 范围内的电动汽车数量比例更大。

许多客户认为不改用电动汽车的一个常见问题是缺乏完善的充电基础设施以及当前充电器的充电过程缓慢。

交流 1 级和 2 级充电通常用于通过车载充电器 (OBC) 为汽车电池充电。交流 1 级使用 120 V、<2 kW，为小型 BEV 充电几乎需要一整天的时间。

交流 2 级使用 240 V，充电时间从大约一小时到几个小时不等，具体取决于所使用的功率级别。OBC 通常具有功率因数校正 (PFC) AC/DC 级，然后是 DC/DC 级。

目前 OBC 输出功率的标准为 7.2 kW 和 11 kW，预计未来 22 kW 的使用量将会增加。在 OBC 应用中，额定电压为 650V 的 GaN 功率器件比 Si 和 SiC 具有许多优势。

功率为 7-25 kW 的直流壁箱可绕过 OBC 装置，提供更快的充电速度。对此的演变是 3 级直流快速充电标准，该标准被视为大幅加快电动汽车充电速度的一种方法。

充电站的功率范围为 50 kW 至 350 kW，商用卡车的功率高达 1 MW。典型电动乘用车（100 kW 电机和 50 -100 kWh 电池容量）的充电时间可缩短至几分钟。该解决方案的关键部分是使用 800 V 电池，因此需要更高电压的驱动电子设备。额定电压为 1200 V 或更高的 SiC 器件被视为该应用的关键。

快速发展的直流快速充电应用领域的一些重要趋势是：

• 模块化方法，例如堆叠 25 kW 至 50 kW 模块以实现更高功率

• 使用 SiC 器件，效率超过 98%

• 电压范围宽

• 双向性：这是 OBC 和直流快速充电器的趋势，为车辆提供了一种将电力输送回家庭或电网的方法。双有源桥 (DAB) 是非常适合此用途的 DC/DC 转换器拓扑之一。

按功率级别细分的电动汽车直流充电器市场预测如图 1 所示。

预计到 2027 年，累计年增长率 (CAGR) 将达到 41%，其中超过 100 kW 的充电器将引领这一扩张。

onsemi 用于直流快速充电的 EliteSiC SiC 模块

经过多年的研究和开发，Onsemi 不断改进其SiC 功率器件和模块产品组合，并以 EliteSiC 名称进行销售。其中包括反向电压额定值范围为 650 V 至 1700 V 的肖特基二极管和 MOSFET。

MOSFET 已从 M1 器件发展到最新的 M3S 和 M3E 1200 V 器件，每个技术周期的电阻率提高了约 25%。它们采用经过验证且可靠的平面栅极技术和坚固的栅极氧化物。

器件表现稳定，在 25°C 下进行 1e11 个栅极开关周期（-3V 至 18V）后，阈值电压仅为 50 mV，在最大工作栅极电压 18 V 时故障率低于 1ppm。

采用这些器件的电源集成模块 (PIM) 提供各种不同的配置，包括两件装、四件装、六件装和 t 型 NPC。

每个模块中使用的第 3 代 M3S MOSFET 芯片来自同一晶圆，从而实现更一致的并行行为。针对电动汽车快速充电的 EliteSiC PIM 额定电压为 1200 V，采用行业标准 F1 和 F2 封装，可选择预涂热界面材料 (TIM)。所提供的电路配置和 R DSon额定值范围为 PIM 提供了灵活性，可以通过 25 kW 至 100 kW 的可扩展输出功率来满足特定的系统要求。

图 2 显示了 25 kW PFC 级在 70 kHz 开关频率下将 480 VAC 转换为 800 VDC 时的损耗比较。将 R DSon为 8 和 10 欧姆的基于 M3S 的 PIM与具有类似额定值的竞争对手模块进行了比较。使用的散热器温度为 80°C，栅极电阻 Rg = 3.6 欧姆。可以看出，在此应用下，基于 M3S 的 PIM 在总损耗方面具有优势。

如图3所示，Onsemi的优势是完全垂直集成的制造解决方案，范围从SiC晶体生长到晶圆加工和器件封装。这使得能够密切控制工艺条件并更有效地管理需求。

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