超级结MOSFET与IGBT的电动汽车充电方案

本文将主要介绍用于电动汽车直流充电桩的超级结MOSFET和具成本优势的IGBT方案。

电动汽车充电级和里程

充电桩按充电能力分类，以处理不同的用例场景。一级充电桩是120 V、输出15 A或20 A 的交流充电桩，每充电1小时增加约4至6英里里程。二级充电功率有3.3 kW、6.6 kW、9.6 kW、19.2 kW四种功率级别，适用于输出电流分别达20 A、20 A、50 A、100 A的240 V交流电源插座。直流快速充电(DCFC)桩的输入电压为440 V或480 V，能在30分钟内充到80%左右，用于公共充电桩。根据中国“一车一桩”计划，电动汽车充电桩总数在2020年将达480万个，电动汽车充电工程的450万个总安装量中将至少有200万个是大功率直流充电桩，且2020年后其它国家也将增加电动汽车充电桩。安森美半导体主要提供DCFC方案。

图1：电动汽车充电级和里程

电动汽车充电桩电源模块系统趋势

1. 增加输出功率以节省充电时间

充电桩将由现在主流的60 kW、90 kW发展到将来的150 kW、240 kW，相应地充电桩电源模块将由现在的15 kW、20 kW、30 kW提高到将来的40 kW、50 kW、60 kW，以缩短充满电的时间。

2. 提高功率密度以节省空间

这可通过提高开关频率Fsw以减少无源器件，并降低损耗以减少散热器来实现。

3. 提高能效以节能

安森美半导体定位于将满载能效从现在的95%提高到超过96%，超越能效法规。

4. 提高系统可靠性

这需要延长电解电容器使用寿命和确保在有尘、潮湿、热、寒区域等户外安装的高可靠性。

超级结MOSFET的优势和使用趋势

转向零排放电动汽车等节能减排趋势推动对中高压MOSFET的需求增加。平面MOSFET的导通电阻Rds(on)和损耗较大。且根据击穿电压与面积成正比，要获得更高的击穿电压需要更大面积的掺杂。超级结MOSFET能够显著降低导通电阻Rds(on)和门极电荷Qg。超级结MOSFET由于电荷平衡，在相同的掺杂下，面积是2倍，因此击穿电压也是两倍，且击穿电压与导通电阻近似线性关系，从而显著降低导通损耗和开关损耗。由于超级结MOSFET在快速开关应用中的能效和功率密度高，常用于高端应用。

电动汽车充电桩架构和安森美半导体的第3代超级结MOSFET方案

例如，210 kW 电动汽车充电点由14个15 kW模块组成，每个15 kW的电池充电器模块都是由3相交流380 V输入，经过3相Vienna 功率因数校正(PFC)后，电压升高到800 V直流电压，再经过高压DC-DC输出250 V至750 V直流电压。

图2：电动汽车充电桩架构

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 快速恢复(FRFET)系列。EASY Drive系列可内部调节门极电阻Rg和寄生电容，有极低的EMI和电压尖峰，适用于硬/软开关。FAST系列有减小的门极电荷Qg和输出电容储存能量Eoss，低开关损耗，高能效，适用于硬开关拓扑。FRFET系列集成一个高度优化的快恢复二极管，具有超低Qrr和Trr，最小化开关损耗并提高系统级可靠性，适用于软/硬开关拓扑。