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直流充電樁中“快準穩”的SiC器件

根據對電動汽車的充電方式,充電樁可分為交流充電樁和直流充電樁兩大類。直流充電樁具備直接給電池充電的能力,以三相四線制的方式連接電網,能夠提供充足的電力,輸出的電壓和電流調整范圍大,俗稱“快充”。隨著歐洲和美國開始計劃進一步提高直流快充能力(350kW快速充電站)。安裝超級充電樁是電動汽車行業的一大進步,這個新的標準將會進一步打開電動汽車市場,也更加有利于電動汽車的進一步普及。充電技術的提升需要與電池技術共進,相對于更高電壓的充電樁技術。以歐洲的幾家車企為例,車企自身需要大力推動直流快充基礎設施的發展:

?四家公司將在歐洲部署超快速充電站,2017年首先在400個地方設置充電站,在2020年之前將設置范圍擴大至歐洲的數千處。

?四家公司預期將向超快速充電網絡設施投入大量建設資金,設立建設基礎設施的合資公司。

?為了確立無論哪種電動汽車品牌均可便捷使用的充電站,四家公司還將推動其他汽車廠商加入

隨著這個市場的不斷演進,直流充電樁的整個電壓平臺都會有變化。

 

圖示1-通往350kW直流充電

**部分:直流充電樁的需求

直流充電系統是一個整體,是把交流功率系統轉化成直流的裝置。目前400V的充電樁一般應用在乘用車上,500~700V的應用在大巴車上,整體核心的是充電電源模塊,完成AC=>DC的電壓和能量轉換。隨著快速充電的需求不斷增加,整個電壓平臺都會向800~1000V進行提升。

現在不少的快速充電解決方案提供150千瓦、300千瓦和450千瓦不同規格的充電功率。無需單獨設立充電站,公交車在??拷K點站時僅需4~6分鐘即可通過車頂自動連接裝置完成快速充電,在滿足線路行駛的用電需求的同時,也使公交車能夠安裝更小、更輕便的電池組,從而減輕自重,同時提高乘客運輸能力。

 

圖示2-大巴的固定直流充電的設施

 

圖示3-大巴頂端直流充電

**部分:直流充電的功率模塊與SiC器件的應用

從充電電源模塊而言,分為整流、PFC、DC/DC變壓幾個部分,有1~2獨立的控制器整流和變壓部分,如下圖所示。以下藍色的部分為羅姆可以提供的一些器件。

 

圖示4-充電機系統的核心部件概覽

AC/DC電路可采用三相交流電輸入, AC/DC轉換可采用全波整流加PFC升壓電路的拓撲結構,也可采用兩路PFC升壓電路交錯并聯來提高開關頻率和增加功率。影響AC/DC轉換的體積、效率和散熱等特性,主要的關鍵因素是PFC電路的開關頻率及器件特性。

SiC-SBD:羅姆不斷改善元器件工藝,隨著產品的更新換代,實現了低VF。開發出使用SiC的SBD(肖特基勢壘二極管),*適合PFC(Power FactorCorrection)電路及逆變器用途。實現了Si-FRD(Fast Recovery Diodes)難以實現的極短的反向恢復時間(trr),使得高速開關成為可能。由于反向恢復電荷量(Qrr)小,為降低開關損耗和設備小型化做出貢獻。

DC/DC電路現在用的比較多的是LLC串聯諧振全橋電路拓撲結構。LLC電路的開關頻率及器件特性也會影響DC/DC轉換的體積、效率和散熱這些特性。

 

圖示5- LLC串聯諧振全橋電路拓撲結構

選擇功率開關管和功率二極管的主要器件特性包括:

?導通損耗(或導通電阻)

?開關損耗

?反向漏電流和反向恢復時間

?反向耐壓

?溫度特性

功率開關管和功率二極管的導通損耗和開關損耗越小、反向漏電流和反向恢復時間越小,開關頻率就可以做的越高,反向耐壓越高,工作電壓選擇就可越高,功率效率也就越高。

SiC mosFET同時實現Si元器件做不到的高速開關和低導通電阻,即使在高溫條件下也能顯示優異的電氣特性。為大幅降低開關損耗和周邊元器件的小型化做出貢獻。簡單來說,基于碳化硅的功率器件特別適合高頻、高壓和高溫的工作環境,車載充電機選用基于碳化硅的功率器件是非常好的選擇。

 

圖示6- SiCMOSFET特性

 

圖示-7 SiCMOSFET在PFC電路內的應用

小結:在充電技術不斷迭代更新的產業環境及市場需求下,使用SiC器件是在未來快速充電領域占據前瞻市場地位的必經之路。


本文轉自羅姆半導體集團

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