与其他半导体工艺技术相比，SiC具有效率和尺寸优势，是大功率应用的理想选择
 
作者：Mouser Electronics Mark Patrick
 
从低功耗物联网（IoT）传感器到高功率太阳能逆变器，功率转换几乎是每一种设计都是必不可少的功能。使用可再生能源和电动汽车普及率的增长等趋势要求高效可靠的能源转换。本文强调了其中的一些趋势，探讨了电子工程的挑战，并解释了宽带隙碳化硅（SiC）技术是如何迅速被采用的。
我们专注于一个应用——快速DC EV充电器，并讨论典型充电器的工程挑战和高级架构。简要讨论了分立式与模块化方法的设计考虑因素，然后展示了安森美F1半桥模块。
 
高功率能量转换挑战
功率转换是一个广泛的话题。功率转换和管理对于电池供电的边缘节点IoT传感器和大型商用太阳能转换器一样重要。它们之间的区别在于所涉及的功率水平。与太阳能单元可能的数千瓦相比，传感器在操作期间可能仅消耗几毫瓦。功率转换在从一个电压电平转换到另一个电压电平时至关重要。例如，IoT传感器的微控制器通常设置电压要求，其中3.3V或5V很流行。然而，通常用于该应用的电池化学的标称电压提供3.7V。这同样适用于更高功率的应用，如太阳能充电转换器、不间断电源和电动汽车充电器。因此，需要从一种电压转换为另一种电压。尽管这些应用实例之间存在巨大的功率差异，但转换效率至关重要。在高功率转换应用中，低效的功率转换会导致表现为热量的能量损失。过多的废热需要耗散，以保持电子电路的冷却和可靠工作。耗散热量并将其从功率转换半导体中释放掉是一项热挑战。
 
碳化硅半导体技术
在任何大功率功率功率转换应用中，转换效率主要由功率半导体的特性决定。半导体的几种特性会导致器件内部发生能量损失，从而共同导致热量。尽管以毫欧姆（mΩ）为单位测量，但半导体的导通电阻RDS（on）可能会成为涉及数百或数千安培的高功率应用的一个重要因素。硅基（Si）半导体技术已经达到了其热性能和电子性能的极限，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。
宽带隙半导体工艺技术，如碳化硅（SiC），提供了比硅高得多的热性能和电子性能，使它们能够在更高的开关频率、更高的电压和更高的温度下工作。图1比较了不同半导体材料和应用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、开关频率和应用用例（来源：安森美）
 
与硅相比，SiC提供了许多优点，包括热导率增加了3倍，能带隙提高了3倍。与600V硅相比，SiC应用可以使用1200V的开关电压。SiC MOSFET等SiC半导体越来越多地用于电动汽车充电器等高功率功率功率转换应用，这也许并不奇怪。SiC器件还可以以更高的功率密度工作，有助于实现更小的设计，这是空间受限的电动汽车充电器和路边充电基础设施所急需的功能。
随着SiC工艺技术的成熟，更小的工艺节点提供了更小、价格有竞争力的MOSFET，进一步加速了市场的采用。
 
快速DC电动汽车充电器的结构探讨
广泛的充电基础设施可用性是电动汽车发展的一个关键成功因素。车载充电器提供了一种简单而缓慢的方法，可以在夜间从家庭电源为电动汽车充电。为了实现更快的充电，DC充电器的功率水平高于家庭电源的供电水平，需要大量的电力基础设施。快速DC充电器通常从20kW开始，预计充电持续时间为两小时。更高功率容量的充电站可扩展至350kW，并将充电时间缩短至10分钟以下。
负责设计快速DC EV充电器的工程师面临着几个开发限制。最重要的是，EV充电基础设施完全无人值守，预计将在雨水、灰尘和极端温度的室外环境中运行。操作的可靠性至关重要，因为在充电基础设施有限的许多偏远地区，如果充电器出现故障，驾驶员可能会被困。
无论环境温度如何，高水平的设计目标都可能会带来严格的能效目标、用户安全和有效的热管理。EV充电桩不仅必须适应电源转换的所有方面，还必须监控充电，与车辆控制系统交互，并与服务提供商的计费系统通信。物理空间总是很重要的，机械工程师应该为充电站内的适当热管理分配足够的空间余量。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（CCS、CHAdaMO、特斯拉等）。高频、高功率开关转换器的另一个相关考虑因素是符合地区和国家电磁干扰（EMI）标准。
图2展示了快速DC EV充电器的基本架构。两个主要组件是AC/DC三相功率因数校正（PFC）或有源前端（AFE）功能和高功率隔离DC/DC转换器。高功率充电站通常使用多个15kW至75kW的子单元来实现所需容量。


图2：快速DC电动汽车充电器的架构（来源：安森美）
 
每个功能块可以在不同的拓扑结构中实现——例如，用于PFC升压级的T-中性点箝位（T-NPC）和用于DC/DC转换的全桥LLC零电压开关（ZVS）。
图3展示了EV充电器的典型三相PFC升压转换器，该转换器使用T-NPC拓扑中的1200V SiC MOSFET模块。
 

图3：使用T-NPC拓扑的典型三相PFC级（电源安森美）
 
对于DC/DC转换器级，用半桥SiC MOSFET模块实现的双有源桥拓扑结构提供了紧凑高效的布置。
 
EV充电基础设施的优化解决方案
尽管电源工程师可以使用分立式SiC-MOSFET构建EV充电器的PFC和DC/DC转换器级，但封装的SiC-MOS功率集成模块（PIM）提供了空间和热管理优势。一个例子是安森美NXH006P120MNF2PTG双封装SiC MOSFET模块。该半桥模块包含一个6 mΩ RDS（on）1200V MOSFET和一个热敏电阻，位于一个紧凑、热效率高的F2封装中（见图4）。


图4：封装的热效率F1封装中的安森美1200V、10mΩ SiC MOSFET和集成热敏电阻封装（来源：安森美）
 
SiC半桥MOSFET模块适用于太阳能逆变器、电动汽车充电和工业电力应用。
图5说明了在25kW EV充电器的PFC和DC/DC转换器级中使用NXH010P120MNF1模块。6组PFC功能（左）提供功率因数校正和AC/DC转换，并将DC/DC转换器的DC入电压提升至800V。


图5：使用安森美NXH010P120MNF1 SiC MOSFET模块的25kW EV充电器的功能架构（电源：安森美）
 
图6显示了双有源桥布置，其中显示了主功率集成模块和辅助功率集成模块（PIM），没有散热和强制空气冷却风扇。DC/DC转换器在车辆和三相电源之间提供隔离，并根据EV电池管理系统的要求调整输出电压和电流。
安森美SiC半桥模块具有紧凑、低RDS(on)、热优化和高频特性，是大功率EV充电基础设施应用的理想选择。


图6：双有源桥布置，带主功率集成模块和辅助功率集成模块（PIM），无散热和强制空气冷却风扇
 
加快高效功率转换应用的发展
随着EV销量的持续增长，快速开发和部署可靠的充电基础设施至关重要。这篇短文强调了半导体工艺技术的最新进展如何证明碳化硅基MOSFET与硅基MOSFET相比具有优越的特性。通过将多个SiC MOSFET封装成紧凑、热优化的外形尺寸，工程师可以快速将高功率转换应用推向市场。
 
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