SiC满足电动汽车快速充电与V2G需求
SiC满足电动汽车快速充电与V2G需求
电动汽车的高压快速充电已经成为推动市场发展的关键，碳化硅（SiC）技术具备高击穿场强、低导通电阻和断态漏电流，将可满足电动汽车的需求。本文将为您介绍当前电动汽车市场的快速充电发展趋势与车辆到电网（Vehicle-to-grid, V2G）应用，以及来自Wolfspeed的SiC解决方案。
高电压充电技术提升充电速度与效率
习惯驾驶内燃机引擎车辆一次可跑上400英里续航力的客户，免不了对电动汽车存在“里程焦虑”，不过随着电池容量的增加与电池管理技术的精进，最新的电动汽车已经可达到200英里左右的续航里程，预计支持300英里续航里程的车型很快也将普及，目前市场上也已经出现超过了400英里与500英里续航里程的车型，“里程焦虑”问题将随之减缓。
不过，随着电动汽车电池容量的增加，电池充电的速度与效率也显得更为重要。想要推动电动汽车市场可持续的成长，便需要更短充电时间的充电器基础设施，必须要在12到15分钟内就能充满80%的容量，这个需求可以通过增加电压，来安全地实现此类快速充电机所需的更高功率输出。
采用高电压来进行充电具备众多的优点，高电压带来较低的电流，从而减少了线缆中的功率损耗以及电池过热问题，能更好地保持功率。它还能减轻重量，因为减小的线缆尺寸仅需更少的铜，从而减少了所需的空间和重量，较小的线缆尺寸也有助于降低由昂贵的铜线缆和连接器所带来的成本。
目前已经有许多新车型开始采用800 V甚至是900 V的直流快速充电技术，不过，采用高电压方案，电动汽车公司就需要对每项装置进行重大修改，包括增加马达的绕组匝数、增强导体的绝缘性，一直到重新设计功率主回路，以及使用耐压高于800 V的最新功率器件。
（来源：YOLE DÉVELOPPEMENT, POWER SIC MATERIALS, DEVICES AND APPLICATIONS 2020）V2G提升能源运用效率
另一方面，充电机还必须支持的另一个重要趋势便是V2G，所谓的V2G描述了电动汽车与电网之间的关系，当电动汽车不使用时，车载电池的电能可以销售给电网的系统，当车载电池需要充电时，电流则由电网流向车辆。
随着各家公司纷纷为强大的车载储能系统（ESS）开创出重要的商业模式，V2G也紧随着在逐步发展之中。尽管太阳能和固定式ESS在电气化的未来中肯定会占有重要地位，V2G功能在处理用电负载高峰时被寄予厚望。
考虑到大型的商业和工业能源消费者必须为所需的峰值功率以及较高的平均功率因子付出更多的成本，而双向直流快速充电器可以在峰值负载时将原本要为电动汽车充电的功能切换至为企业场地或电网供电，则为安装该系统提供了一个很吸引人的商业场景。
SiC器件具有比硅基器件更多优势
SiC是实现高电压快速充电机的关键技术，相较于硅（Si）器件，SiC器件提供了多项优势，例如SiC的击穿场强是硅的十倍，从而在更小的裸芯片面积上的阻断电压比硅更高，目前的SiC已可支持高达1700 V的MOFSET阻断电压，而硅基超级结MOSFET通常在900 V以下。
与硅相比，SiC有着更低的导通电阻和断态漏电流，因此有助于提高效率。SiC只有极低甚至没有反向恢复电流，并且能够以比硅高三到五倍的频率进行开关，从而减小了电容器和磁性组件的尺寸和重量。此外，SiC具备三倍高的导热率，并且能够承受更高的芯片温度，从而降低了散热要求。
这些特性使得1200 V SiC器件比硅基绝缘栅双极型晶体管（IGBT）具备显着的成本及性能优势，提供了实现800 V至900 V电动汽车架构所需的更高效率、散热管理和功率密度。
车载充电器和充电桩都包含了两个主要模块，包括用于AC/DC转换的主动式前端（AFE），以及DC/DC转换器。AFE从电网获取单相或三相电力，然后输出到直流中间电压，再通过DC/DC模块将其转换为电动汽车电池快速充电所需的电压。
另一个模块则是车载充电器（OBC），其通常采用单个3 kW至11 kW的模块。充电桩则是采用15 kW至30 kW的模块，堆叠组合实现目前的150 kW，及最新目标的350 kW。最新的SiC器件、封装和电路拓扑结构，则可在不久的将来以数量更少的60 kW模块来实现这一目标。
丰富产品组合与参考设计加快开发速度
Wolfspeed提供了多种核心器件，支持电动汽车市场中的1200 V MOFSET和肖特基二极管的丰富产品组合。Wolfspeed的1200 V阻断电压第三代（C3M）MOSFET系列，其额定电流范围为7.2 A至115 A，导通电阻（RDSON）为350 mΩ至16 mΩ，最高结温为150℃或175℃。这些器件采用了标准TO-247-3以及优化的TO-247-4与TO263-7封装，其开尔文源极引脚连接可助力优化这些超快SiC器件的性能。
Wolfspeed还提供参考设计，可简化设计工作并缩短产品面市时间。为了应对最新的电动汽车充电器趋势，Wolfspeed开发了一个22 kW解决方案，其中包括了一个AFE和一个灵活的DC/DC转换器，既可以用于车载充电器，又可以用作DC快速充电器的电源模块。
两个参考设计板的结合非常独特，可支持双向单相和三相操作，满足车载充电器中固定电池电压的需求，以及适用于DC快速充电器的200 V至800 V可变电压，以同时服务前代电动汽车和800 V电动汽车。AFE和DC/DC设计的灵活性为工程师们开启了新的机会，使他们还可以将目标瞄准电动汽车以外的应用，例如ESS、UPS和其他工业电源转换系统等。
在45 kHz频率下工作的CRD-22AD12N AFE采用了一种简单的六开关拓扑，尽管开关能支持更高的频率，但需要权衡感应磁芯损耗和开关效率。这个拓扑可直接替代类似的6-IGBT电路。IGBT方案简单又不贵，但由于IGBT尾电流的存在开关损耗高效率低，其频率低至20 kHz以下。
CRD-22DD12N DC/DC板搭载了具有灵活控制方案的全桥CLLC谐振转换器，实现了频率调变、移相控制、自适应同步整流和电桥重配置技术。其拓扑实现了零电压导通、低电流关断，从而带来更低的开关损耗和更低的电磁干扰（EMI）。所有这些的实现都是伴随着更少数量的功率器件和更低的系统成本，将AFE和DC/DC板组合在一起，带来了明显高于硅基方案的显着优势。