作者簡(jiǎn)介

周明（1984），男，工學(xué)碩士，工程師，主要從事電力電子技術(shù)方面的研究應(yīng)用工作，ming.zhou@infineon.com

施三保（1980），男，工學(xué)碩士，工程師，主要從事電力電子技術(shù)方面的研究工作，simon.shi@infineon.com

引言

傳統(tǒng)汽車(chē)行業(yè)的智能化、電動(dòng)化趨勢(shì)目前已經(jīng)是為人們所不容置疑的共識(shí)，由此必將帶來(lái)周邊行業(yè)（如充電樁等）的爆發(fā)式增長(zhǎng)。同時(shí)，碳化硅功率器件作為第三代半導(dǎo)體技術(shù)，因其高耐壓，高開(kāi)關(guān)頻率和高耐溫等優(yōu)點(diǎn)在電能轉(zhuǎn)換中得到大規(guī)模的應(yīng)用，也必將是大勢(shì)所趨。然而，由于各種原因，目前碳化硅在充電樁中的應(yīng)用還沒(méi)有大規(guī)模的展開(kāi)，學(xué)界對(duì)于碳化硅在充電樁中的應(yīng)用研究和探討還不夠充分。

因此，分析充電樁模塊技術(shù)發(fā)展的挑戰(zhàn)和趨勢(shì)，闡述碳化硅器件的良好性能，并探討碳化硅器件在充電樁模塊系統(tǒng)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)就顯得很有必要。

充電樁模塊技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

為滿足2020年500萬(wàn)輛電動(dòng)車(chē)的充電需求，國(guó)家規(guī)劃建設(shè)480萬(wàn)臺(tái)充電樁，發(fā)布了如《電動(dòng)汽車(chē)充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南（2015-2020年）》等一系列文件并提供了各種優(yōu)惠政策，充電樁行業(yè)自2015年開(kāi)始如雨后春筍般發(fā)展。截止2017年底和2018年底全國(guó)充電樁保有量分別約為45萬(wàn)臺(tái)和78萬(wàn)臺(tái)，對(duì)應(yīng)全國(guó)新能源汽車(chē)的保有量分別約為153萬(wàn)輛和261萬(wàn)輛（源自公安部交通安全微發(fā)布）。

伴隨著巨大的市場(chǎng)應(yīng)用前景，充電樁模塊也存在著一些技術(shù)挑戰(zhàn)，如市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈導(dǎo)致對(duì)系統(tǒng)整體成本下降的要求，惡劣環(huán)境下（如高溫高濕鹽霧灰塵等）長(zhǎng)時(shí)間工作導(dǎo)致可靠性問(wèn)題，建設(shè)用地緊張導(dǎo)致對(duì)充電樁更高的功率密度要求，運(yùn)營(yíng)商因成本壓力而提出越來(lái)越高的整機(jī)效率要求等等。面對(duì)這些技術(shù)挑戰(zhàn)，越來(lái)越多的充電樁模塊工程師開(kāi)始尋求第三代功率半導(dǎo)體碳化硅解決方案，以實(shí)現(xiàn)使用更少的器件滿足更大的單機(jī)容量要求。

同時(shí)，充電樁也有一些新的技術(shù)方向，如大功率化（比如30kW及以上）以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車(chē)的快速充電，雙向充電功能以實(shí)現(xiàn)能量的回饋，更高更寬的輸出電壓范圍（比如200V-750V甚至到1000V）以覆蓋各種不同新能源車(chē)型電池等等，這些新的技術(shù)發(fā)展方向也給碳化硅半導(dǎo)體提供了巨大的應(yīng)用機(jī)會(huì)。

碳化硅技術(shù)簡(jiǎn)介

碳化硅和硅材料的特性對(duì)比如表1所示，其中更高的帶隙和擊穿電壓對(duì)應(yīng)了碳化硅器件在相同材料厚度下可以做到更高的耐壓等級(jí)；更高的熱導(dǎo)率表明碳化硅器件熱阻可以做到更??；更低的理想本征遷移率表明碳化硅器件可以實(shí)現(xiàn)更低的Rds.on；電子飽和速度越大決定了其可以實(shí)現(xiàn)更高的開(kāi)關(guān)速度。

表1：碳化硅和硅材料性能對(duì)比

更高的開(kāi)關(guān)速度意味著讓系統(tǒng)可使用簡(jiǎn)單而容易控制的電路（兩電平而非三電平），讓系統(tǒng)可使用高開(kāi)關(guān)頻率及小型磁元件，在更小的機(jī)箱處理相同的功率。以上優(yōu)勢(shì)分析都表明，碳化硅功率器件可以極大的提高電力電子能量轉(zhuǎn)換功率密度，效率和可靠性并降低系統(tǒng)成本。在光伏太陽(yáng)能和UPS領(lǐng)域，正逐步投入使用。

英飛凌碳化硅技術(shù)

英飛凌是最早接觸碳化硅材料的廠家之一，有著15年批量供貨碳化硅器件的歷史，有著碳化硅二極管，碳化硅MOSFET和碳化硅模塊等一系列產(chǎn)品。從碳化硅材料到碳化硅功率半導(dǎo)體的產(chǎn)品化中不可避免的遇到了一個(gè)門(mén)極氧化層的可靠性問(wèn)題。門(mén)極氧化層由SiO2組成，作用在于提供與漏極源極之間的絕緣，同時(shí)門(mén)極電壓超過(guò)Vgs.th時(shí)提供反向通道。碳化硅材料高能量帶隙引起高的隧道效應(yīng)電流，最終影響門(mén)極氧化層的可靠性。門(mén)極SiC層和SiO2層接觸面長(zhǎng)期工作時(shí)存在離子遷移現(xiàn)象，溝道區(qū)域中的缺陷密度高，需要加大門(mén)極驅(qū)動(dòng)電壓或者降低氧化層厚度來(lái)解決，但加大門(mén)極電壓以及降低氧化層厚度又導(dǎo)致可靠性壽命的問(wèn)題。2015年英飛凌提出了一種垂直溝槽型的結(jié)構(gòu)[1]，在不違反門(mén)極氧化層可靠性的條件下，更容易達(dá)到性能要求，如圖1所示。英飛凌針對(duì)碳化硅器件進(jìn)行一系列HTGS等可靠性實(shí)驗(yàn)[2]，表明這種架構(gòu)的碳化硅器件在+15V/+18V柵極電壓和150℃環(huán)境下可以達(dá)到20年工作壽命，可以很有信心的進(jìn)行大規(guī)模市場(chǎng)化推廣。

圖1：垂直溝槽 SiC MOSFET

同時(shí)，通過(guò)門(mén)極過(guò)電壓應(yīng)力破壞性測(cè)試，可以看到英飛凌碳化硅器件具有非常高的魯棒性。在考慮門(mén)極可靠性的同時(shí)，英飛凌碳化硅MOSFET還具有下述優(yōu)勢(shì)：

1）閾值電壓高，避免誤觸發(fā)

2）短路能力

3）dV/dt可控性

這些獨(dú)有的特性，使得英飛凌碳化硅MOSFET更容易被使用。

圖2：門(mén)極電壓過(guò)應(yīng)力測(cè)試

碳化硅在充電樁應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)

目前業(yè)界常見(jiàn)的直流充電樁拓?fù)潆娐?span>[5]如圖3所示，三相交流380V輸入電壓經(jīng)過(guò)兩路維也納AC/DC電路并聯(lián)后，得到800V直流母線電壓，然后經(jīng)過(guò)兩路全橋LLC DC/DC電路，輸出250V到950V（或750V）高壓給新能源汽車(chē)充電使用。其中維也納電路AC/DC的開(kāi)關(guān)頻率40kHz左右，通常可以使用英飛凌600V的CoolMOS或者650V的TRENCHSTOP™ 5 H5/S5，驅(qū)動(dòng)器可以使用英飛凌的EiceDRIVER™ 1ED/2ED 無(wú)磁芯隔離驅(qū)動(dòng)器。由于整流二極管開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的損耗比較大，可以使用英飛凌的1200V CoolSiC™肖特基二極管20A，與之相對(duì)應(yīng)的Si超快恢復(fù)整流二極管1200V 40A，同等條件下正向電流壓差Vf分別為1.4V和2.8V, 反向恢復(fù)能量Qrr分別為202nC和570nC, 從而可以大大地提高維也納PFC整流電路效率，整體效率可以提升0.5%左右。

圖3：直流充電樁拓?fù)潆娐?/span>

DC/DC全橋LLC部分，由于開(kāi)關(guān)頻率可以達(dá)到300kHz，器件在軟開(kāi)關(guān)下工作，所以效率比較高。原邊可以使用英飛凌的CFD7 CoolMOS和EiceDRIVER™ 1ED/2ED驅(qū)動(dòng)器。副邊二極管整流損耗比較大，可以使用英飛凌650V或者1200V CoolSiC肖特基二極管來(lái)提升效率。

由于SiC MOSFET的高壓特性，其在1200V到1700V電壓區(qū)間具有很大的優(yōu)勢(shì)，采用SiC MOSFET的DC/DC電路，可以從原來(lái)的三電平優(yōu)化為兩電平LLC（如圖4所示）。這樣可以大大簡(jiǎn)化拓?fù)潆娐?，減少元器件的數(shù)量，控制和驅(qū)動(dòng)更加簡(jiǎn)單。同時(shí)，基于SiC MOSFET的高頻特性，可以提高LLC電路的開(kāi)關(guān)頻率，從而減少磁性器件的尺寸和成本。由于LLC電路是軟開(kāi)關(guān)工作模式，損耗集中在開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通損耗上，利用平移數(shù)據(jù)手冊(cè)的圖表，可以近似得到英飛凌的SiC MOSFET IMW120R045M1和Si MOSFET管，在結(jié)溫100℃和Ids電流20A的條件下，Rds.on.Max分別為72.1mΩ和78.1mΩ，由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的原因，流過(guò)圖4中LLC SiC MOSFET的電流有效值是圖3中Si MOSFET電流的一半，所以最終導(dǎo)通損耗大大減小。整體而言，改善后的電路可以提升0.3%左右的效率。

圖4：推薦使用碳化硅MOSFET的充電樁模塊電路 1

同時(shí)，PFC整流維也納拓?fù)潆娐?，也可以使?200V的SiC MOSFET，從而變成三相全橋PFC整流（如圖5所示）。這樣將大大減少功率器件數(shù)量，簡(jiǎn)化控制電路的復(fù)雜性。同時(shí),也可以通過(guò)提高開(kāi)關(guān)頻率來(lái)降低電感的感量，尺寸和成本。

圖5：推薦使用碳化硅MOSFET的充電樁模塊電路 2

每一個(gè)開(kāi)關(guān)器件都需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)，英飛凌不僅可以提供SiC MOSFET，IGBT和CoolMOS等開(kāi)關(guān)器件，還可以提供驅(qū)動(dòng)這些開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)IC。圖6是英飛凌無(wú)磁芯隔離驅(qū)動(dòng)IC的原理圖，基于該原理的1EDI/1EDC/2EDI等驅(qū)動(dòng)IC，廣泛應(yīng)用在充電樁，UPS等應(yīng)用領(lǐng)域，有著隔離，開(kāi)關(guān)頻率高，抗干擾能力強(qiáng)，帶保護(hù)功能等特點(diǎn)，特別適合SiC MOSFET的驅(qū)動(dòng)。

圖6：無(wú)磁芯隔離驅(qū)動(dòng)IC的原理圖

基于碳化硅的30kW充電樁模塊設(shè)計(jì)

基于英飛凌碳化硅器件，設(shè)計(jì)了一款30kW的充電樁模塊，如圖7所示。

圖7：基于SiC的30kW充電樁模塊

輸入電壓280-460VAC，輸入總諧波失真（Total Harmonic Distortion THD）滿載條件下≤5 %，功率因數(shù)滿載下大于0.99。輸出電壓范圍300V-750V, 最大輸出功率30kW。最高效率可達(dá)96.5%。

模塊電路圖如圖8所示，PFC維也納電路采用了英飛凌的1200V肖特基SiC二極管IDWD20G120C5B和650V的IGBT IKW75N65EH5，驅(qū)動(dòng)使用了1EDI40I12AH。全橋LLC部分采用了英飛凌的1200V SiC MOSFET IMW120R045M1和650V SiC肖特基二極管IDH20G65C6做整流，SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)使用了1EDI20I12AH。

圖8：30kW充電樁模塊電路拓?fù)?/span>

整機(jī)測(cè)試后最高輸出電壓750 V時(shí)的效率曲線如圖9所示。

圖9：30kW充電樁模塊效率曲線

該直流充電樁模塊由于采用模擬PFC控制，母線電壓不隨輸出直流電壓變化，輸出整流使用了650V SiC二極管，導(dǎo)致整機(jī)效率不夠理想。在下一階段的工作中，將改進(jìn)設(shè)計(jì)，以求充分發(fā)揮SiC MOSFET的高效性能。

結(jié)束語(yǔ)

碳化硅器件作為第三代功率半導(dǎo)體，由于其高耐壓，高耐溫，開(kāi)關(guān)速度快，損耗低和高可靠性等特點(diǎn)，非常適合充電樁模塊的應(yīng)用工況，必將在充電樁模塊中得到快速的應(yīng)用，碳化硅功率半導(dǎo)體器件的進(jìn)步，將帶來(lái)充電樁電能轉(zhuǎn)換的巨大進(jìn)步和技術(shù)突破。英飛凌在碳化硅技術(shù)上有十幾年的研發(fā)準(zhǔn)備，將幫助充電樁模塊在下一代電力電子的升級(jí)換代中提供最佳的系統(tǒng)技術(shù)方案。

致謝

本文中實(shí)驗(yàn)方案的制定和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量記錄工作是在上海亮訊信息科技有限公司的大力支持下完成的，在此向他們表示衷心的感謝。

參考文獻(xiàn)

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