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电动汽车充电桩电源模块系统趋势和超级结MOSFET的优势

时间:2020-09-07 15:35:04 其他

插电式混合学习动力/电动新能源汽车(xEV)包含任何一个国家高压电池管理子系统,可采用内置的车载充电器(OBC)或外部的充电桩进行研究充电。充电(应用)要求在高温工作环境下具有高电压、高电流和高性能,开发利用高能效、高性能、具丰富自己保护生态功能的充电桩对于实现以学生尽可能短的充电服务时间以及续航更远的里程至关重要。常用的半导体电子器件有IGBT、超结MOSFET和碳化硅(SiC)。安森美半导体为电动汽车OBC和直流充电桩提供更加完整的系统解决方案,包括企业通过AEC车规认证的超级结MOSFET、IGBT、门极驱动器、碳化硅(SiC)器件、电压技术检测、控制公司产品市场乃至电源电路模块等,支持我们设计相关人员可以优化模型性能,加快经济开发建设周期。本文将主要内容介绍一种用于中国电动汽车使用直流充电桩的超级结MOSFET和具成本信息优势的IGBT方案。

电动汽车充电级和里程

按充电容量分类,处理不同用例场景。 一级充电桩为交流充电桩,120V,输出15A或20A,每1小时充电增加里程约4至6英里。 四个功率电平kW、6.6kW、9.6kW、19.2kW3.3,分别适用于输出电流达20A、20A、50A、100A的240V交流电源插座。 直流快速充电(DCFC)桩的输入电压为440V或480V,在30分钟内约为80%,用于公共充电桩。 根据中国“一车一桩”计划,2020年电动汽车充电桩总数将达到480万个,电动汽车充电项目450万个总装置中至少200万个将是大功率直流充电桩,2020年后其他国家也将增加电动汽车充电桩。 安森半导体主要提供DCFC解决方案。

电动汽车充电站<a href='/goods/484' target='_blank' style='color:blue'>电源模块</a>系统的发展趋势
和超级结MOSFET的优势

图1:电动汽车充电级和里程

电动汽车充电站电源模块系统的发展趋势

1. 增加一个输出功率以节省充电学习时间

从60千瓦,未来150千瓦的90千瓦的发展,240千瓦的当前主流充电桩,对应从电流15千瓦,20千瓦充电后功率模块,30 kW到未来40千瓦,50千瓦,60千瓦到缩短完全充电的时间。

2.增加的功率密度,以节省空间

这可通过不断提高工作开关使用频率Fsw以减少无源器件,并降低成本损耗以减少散热器来实现。

3. 提高能效以节能

安森美半导体的定位是将满载能效从95%提高到96%以上,超过能效规定。

4. 提高系统可靠性

这就需要延长电解电容器的寿命具有高可靠性,并确保防尘,防潮,室外热,冷区域等的安装。

超级结MOSFET的优势和使用发展趋势

转向节能趋势的零排放电动车的高压MOSFET驱动器增加的需求。平面MOSFET的导通电阻RDS(ON)和损耗变大。击穿电压和面积成正比,以获得更高的击穿电压需要掺杂更大的面积。超结MOSFET可以显著降低导通电阻RDS(ON)和栅极电荷Qg。因为超结MOSFET电荷平衡的,在相同的掺杂,面积为2倍,并且因此也两次击穿电压和导通电阻和击穿电压是近似线性关系,从而减少显著传导损耗和开关损耗。超结MOSFET由于高效率和快速开关应用的功率密度,常用于高端应用中使用。

电动新能源汽车进行充电桩架构和安森美半导体的第3代超级结MOSFET方案

例如,kW电动汽车充电点由14个15kW模块组成,每15kW的电池充电器模块由3相交流380V输入,用3相维也纳功率因数校正(PFC),电压上升到800VDC,然后通过高压DC-DC输出250V到750V的直流电压。

图2: 电动车辆的充电桩建造工程

其中,3相Vienna PFC可选用安森美半导体的第3代超级结MOSFET (SUPERFET III)的易驱动(EASY Drive)/ 快速(FAST)系列,多级LLC可选用SUPERFET III 快速发展恢复(FRFET)系列。EASY Drive系列可内部控制调节门极电阻Rg和寄生引起电容,有极低的EMI和电压产生尖峰,适用于硬/软开关。FAST系列有减小的门极电荷Qg和输出通过电容进行储存以及能量Eoss,低开关设备损耗,高能效,适用于硬开关网络拓扑。FRFET系列产品集成设计一个国家高度不断优化的快恢复使用二极管,具有企业超低Qrr和Trr,最小化作为开关时间损耗并提高管理系统级可靠性,适用于软/硬开关电路拓扑。

图3:推荐的用于电动车辆充电桩半导体的SuperFET III方案

SUPERFET III FRFET系列产品具有发展超低Qrr和Trr

在相同的工作条件下,比较了Ansome半导体的SUPERFETIIIF RFET系列和EasyDrive系列。 易驱动系列的Qrr和Irr分别降低了90%和73。

Anthan 半导体公司的 superfet iii frfet 性能优于其竞争对手

在相同的工作条件下,的SuperFET III FRFET测量半导体栅极电荷Qg,TRR,IRR的Qrr和EOSS比竞争对手已降低到一定程度,降低幅度范围为8%至47%,并且具有较低的导通电阻Rds(上),关断二极管和最佳性能的损失,从而提供更高的系统效率。

利用SUPERFET III FRFET避免文化输出进行短路发生故障

传统 mosfet 在 llc 拓扑结构中容易发生输出短路故障,而安森美半导体的 superfet iii frfet 可以通过优化栅极电荷 qg 等参数来避免输出短路故障。

采用SUPERFET III FRFET的HF版本可以提高管理系统能效

?F版本半导体的SuperFET III FRFET在缓慢关断开关,因此低的峰值的Vds低dv / dt的,其优点是更好的EMI性能。 HF版本快速关断开关,所以这是一个较低的开关损耗和降低罗斯,可以提供更高的系统效率。

具成本管理优势的IGBT方案可以用于电动汽车进行充电桩

相比超结实施例中,IGBT可以用于电动车辆充电桩来提供具有成本竞争力的解决方案。安森美半导体提供业界领先的场停止IGBT技术,其最新的第四代场站(FS4)IGBT具有相同最低的导通损耗,导通损耗,关断损耗,体二极管损耗和更小的电压尖峰。 FS4 IGBT整流器和方案推荐给电动汽车充电桩如下表。

图4:具成本管理优势的IGBT和整流方案可以用于电动汽车进行充电桩

硅C和智能电源模块(IPM)

此外,anthan 还提供650v 和1200v sic 二极管,1200v sic mosfet,以及高效率、功率密度和可靠性的紧凑型 ipm。

总结

安森美半导体凭借在功率器件和封装技术的专业知识,为电动汽车充电应用提供高能效创新的半导体方案,包括同类最佳的超级结MOSFET、具成本优势的 IGBT 及二极管方案、基于SiC的方案和IPM,有助于实现更高性能、能效和更低损耗,是用于电动汽车充电桩 DC-DC、PFC等电源模块的极佳选择。
? ? ? ?责任编辑:wv?

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