顯著提升充電效率，基本半導(dǎo)體應(yīng)用于高壓快充的E2B碳化硅功率模塊方案解析
發(fā)表時(shí)間：2024-07-03 19:05
摘 要
充電樁采用碳化硅模塊可以增加30﹪的輸出功率，減少50﹪的損耗。目前在充電樁領(lǐng)域，碳化硅應(yīng)用處于快速增長(zhǎng)階段，預(yù)計(jì)到2025年將提升至35﹪，市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)200億元。
年來(lái)，充電時(shí)長(zhǎng)已經(jīng)成為影響新能源汽車(chē)駕駛體驗(yàn)的關(guān)鍵因素，市場(chǎng)對(duì)提高車(chē)輛充電速度的需求變得越來(lái)越迫切。高電壓和大電流都可縮短充電時(shí)間，但考慮到銅線(xiàn)損耗的因素，高壓大功率比大電流方案更有效率。而要提升充電速度，必然要關(guān)注大功率充電，在不提高整車(chē)電壓平臺(tái)的條件下，必須增大充電電流，但這樣也會(huì)導(dǎo)致端子、線(xiàn)纜的發(fā)熱量增加，繼而溫度升高。持續(xù)高溫容易損害充電裝置，嚴(yán)重的還會(huì)引發(fā)安全事故，為避免這種情況，必須將充電槍端子及線(xiàn)纜的發(fā)熱量及溫升降低，常用的方法就是增大導(dǎo)體截面積。然而增大導(dǎo)體截面積后會(huì)增加線(xiàn)纜的重量，用戶(hù)使用會(huì)很不方便。考慮到充電槍的電流約束，適合的辦法是通過(guò)提升電壓平臺(tái)實(shí)現(xiàn)大功率充電。
圖1 高壓快充架構(gòu)下電池系統(tǒng)成本與低壓大電流架構(gòu)的對(duì)比
目前主流車(chē)企均在布局高壓快充車(chē)型，預(yù)計(jì)2026年800伏以上高壓車(chē)型銷(xiāo)量將過(guò)半，但我國(guó)適配高壓快充的高壓充電樁數(shù)量不足。為此，主流車(chē)企和充電運(yùn)營(yíng)商正加快研發(fā)推出大功率快充樁，亟需更耐高壓、耐高溫、更小型化的新型功率器件，以滿(mǎn)足充電設(shè)備對(duì)效率和安全的更高要求。
作為第三代半導(dǎo)體材料，碳化硅具有寬禁帶、高熱導(dǎo)率、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高飽和電子漂移速率等優(yōu)異特性。與傳統(tǒng)硅材料比較，碳化硅器件能有效滿(mǎn)足充電樁設(shè)備耐高壓、耐高溫、更小型化新型器件的需求，幫助實(shí)現(xiàn)新能源汽車(chē)快速充電的目標(biāo)。此外，碳化硅還能提高單位功率密度，減小模塊體積并簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，對(duì)降低充電樁成本起到重要作用。
圖2 傳統(tǒng)硅功率器件單向充電樁方案
圖3 碳化硅功率器件雙向充電樁方案
傳統(tǒng)硅方案充電樁模塊電源中，DC/DC拓?fù)洳捎?50V硅基超結(jié)MOSFET組成兩個(gè)全橋串聯(lián)的LLC，使用1200V碳化硅MOSFET以后，系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化為一個(gè)LLC諧振回路，器件數(shù)量大幅度減少，有利于提升系統(tǒng)可靠性。尤其是關(guān)斷損耗更小的碳化硅MOSFET，更適合充電樁電源模塊DC/DC部分的LLC/移相全橋等電路拓?fù)洹?/p>
同時(shí)，1200V/40mΩ碳化硅MOSFET分立器件在風(fēng)光儲(chǔ)充、車(chē)載充電、汽車(chē)空調(diào)等領(lǐng)域的電源模塊上被廣泛應(yīng)用，規(guī)模優(yōu)勢(shì)使碳化硅MOSFET成本進(jìn)一步降低，使得用1200V碳化硅MOSFET的系統(tǒng)成本比使用650V硅基超結(jié)MOSFET的更低，產(chǎn)品更具有競(jìng)爭(zhēng)力。
圖4 基本半導(dǎo)體1200V碳化硅MOSFET
此外，大功率（50kW~60kW）的充電模塊功率密度高，體積有限，如果采用分立器件，并聯(lián)數(shù)量會(huì)很多，給均流、安裝和散熱帶來(lái)了非常高的挑戰(zhàn)，而采用碳化硅 MOSFET模塊方案，則可以很好地解決上述問(wèn)題。
圖5 基本半導(dǎo)體1200V碳化硅MOSFET E2B半橋模塊在充電樁中的應(yīng)用
基本半導(dǎo)體PcoreTM2 E2B 全碳化硅半橋MOSFET模塊BMF240R120E2G3基于高性能晶圓平臺(tái)設(shè)計(jì)，在比導(dǎo)通電阻、開(kāi)關(guān)損耗、抗誤導(dǎo)通、可靠性等方面表現(xiàn)出色。高溫(Tvj=150℃)下的RDS(on)參數(shù)僅比常溫(Tvj=25℃)時(shí)增加1.4倍左右。產(chǎn)品內(nèi)置碳化硅肖特基二極管，使得續(xù)流二極管基本沒(méi)有反向恢復(fù)行為，大幅降低模塊的開(kāi)通損耗。產(chǎn)品還引入氮化硅(Si3N4)AMB陶瓷基板及高溫焊料，可改善長(zhǎng)期高溫度沖擊循環(huán)的CTE失配，陶瓷板的可靠性大幅提升。
圖6 PcoreTM2 E2B 全碳化硅半橋MOSFET模塊BMF240R120E2G3
在高壓快充的大背景下，以基本半導(dǎo)體為代表的碳化硅功率器件企業(yè)將不斷加大研發(fā)力度，確保技術(shù)能緊跟行業(yè)趨勢(shì)和市場(chǎng)需求，為充電樁設(shè)備制造企業(yè)提供更高性能的碳化硅功率器件。隨著新能源汽車(chē)、光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，碳化硅器件在電力設(shè)備行業(yè)中還將有更廣泛的應(yīng)用，其市場(chǎng)規(guī)模還有的成長(zhǎng)空間，預(yù)計(jì)碳化硅功率器件在光伏逆變器的滲透率將從 2020年的10﹪增長(zhǎng)至 2048年的85﹪。
