向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了
广告

超级结MOSFET和IGBT在电动汽车充电桩的应用

时间:2019-10-18 作者:安森美半导体 阅读:
插电式混合动力/电动汽车(xEV)包含一个高压电池子系统,可采用内置的车载充电器(OBC)或外部的充电桩进行充电。充电(应用)要求在高温环境下具有高电压、高电流和高性能,开发高能效、高性能、具丰富保护功能的充电桩对于实现以尽可能短的充电时间续航更远的里程至关重要。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。

插电式混合动力/电动汽车(xEV)包含一个高压电池子系统,可采用内置的车载充电器(OBC)或外部的充电桩进行充电。充电(应用)要求在高温环境下具有高电压、高电流和高性能,开发高能效、高性能、具丰富保护功能的充电桩对于实现以尽可能短的充电时间续航更远的里程至关重要。常用的半导体器件有IGBT、超结MOSFET和碳化硅(SiC)。安森美半导体为电动汽车OBC和直流充电桩提供完整的系统方案,包括通过AEC车规认证的超级结MOSFET、IGBT、门极驱动器、碳化硅(SiC)器件、电压检测、控制产品乃至电源模块等,支持设计人员优化性能,加快开发周期。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。ZqXednc

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。ZqXednc

onsemi-1.pngZqXednc

图1:电动汽车充电级和里程ZqXednc

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ZqXednc

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。ZqXednc

2. 提高功率密度以节省空间ZqXednc

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。ZqXednc

3. 提高能效以节能ZqXednc

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。ZqXednc

4. 提高系统可靠性ZqXednc

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。ZqXednc

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。ZqXednc

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。ZqXednc

ZqXednc

onsemi-2.pngZqXednc

图2:电动汽车充电桩架构ZqXednc

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。ZqXednc

onsemi-3.pngZqXednc

onsemi-3-1.pngZqXednc

onsemi-3-2.pngZqXednc

ZqXednc

ZqXednc

ZqXednc

ZqXednc

图3:推荐的安森美半导体SUPERFET III方案用于电动汽车充电桩 ZqXednc

SUPERFET III FRFET系列具有超低Qrr和Trr

在同等工作条件下对安森美半导体的SUPERFET III FRFET系列和Easy Drive系列进行比较,测得FRFET系列比Easy Drive系列的Qrr和Irr分别降低90%和73%。ZqXednc

安森美半导体的SUPERFET III FRFET优于竞争对手

在同等工作条件下,测得安森美半导体的SUPERFET III FRFET的门极电荷Qg、Trr、Irr、Qrr和Eoss比竞争对手都有不同程度的降低,降低幅度从8%到47%不等,并且有更低的导通电阻Rds(on)、关断损耗和同类最佳的二极管性能,因而提供更高的系统能效。ZqXednc

利用SUPERFET III FRFET避免输出短路故障

普通MOSFET在LLC拓扑中容易出现输出短路故障,而安森美半导体的SUPERFET III FRFET通过优化门极电荷Qg等参数可避免输出短路故障,使器件正常工作。ZqXednc

采用SUPERFET III FRFET的HF版本提高系统能效

安森美半导体SUPERFET III FRFET的 F版本在关断时是慢开关,因而有低尖峰Vds和低dv/dt,优势是更好的EMI性能。HF版本在关断时为快速开关,故有更低的开关损耗和更低的Ross,可提供更高的系统能效。ZqXednc

具成本优势的IGBT方案用于电动汽车充电桩

相比较超级结方案,IGBT可提供具成本优势的方案用于电动汽车充电桩。安森美半导体提供领先行业的场截止IGBT技术,其最新的第四代场截止(FS4) IGBT具备同类最低的导通损耗、开通损耗、关断损耗、体二极管损耗和更小的电压尖峰。推荐用于电动汽车充电桩的FS4 IGBT和整流器方案如下表所示。ZqXednc

onsemi-4.pngZqXednc

onsemi-4-1.pngZqXednc

ZqXednc

ZqXednc

ZqXednc

图4:具成本优势的IGBT和整流方案用于电动汽车充电桩ZqXednc

SiC和智能功率模块(IPM)

此外,安森美半导体也提供650 V和1200 V SiC二极管、1200 V SiC MOSFET,以及紧凑的IPM以实现更高能效、功率密度和可靠性。ZqXednc

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。ZqXednc

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
您可能感兴趣的文章
  • 开发适用于下一代汽车的汽车网关 汽车架构正在快速演进,车辆逐步从半自动驾驶向最终的完全自动驾驶发展。汽车制造商还加入了多种功能,例如智能访问、车辆共享、预测性维护、车辆跟踪、车队管理和空中 (OTA) 升级,以增强互联能力和车载通信。这些高级功能生成的数据量不断增加,需要通过高性能处理器进行处理,并在 CAN、LIN 和高速网络(如以太网)等接口之间安全可靠地进行通信。因此,汽车制造商正在重新评估汽车网关和远程信息处理控制单元系统(TCU)的架构。
  • 2020趋势预测:AIoT硬件创新+软件定义的汽车 本文转载自:Imgtec《Imagination:关于2020年的预测》,内容略有删改。 2020年这些领域将会出现什么新的技术和应用趋势? 1. 汽车不再需要汽油,软件可以定义未来的车辆;2. WiFi 6和蓝牙;3. 隐私推动边缘计算发展;4. 供应链安全;5. 中美贸易创造更多机会......
  • 让ADAS技术在车辆中更加普及 根据消费者报告中的美国公路安全保险协会表明,与2017年没有配备前方碰撞预警和自动紧急制动系统的汽车相比,配备了这些系统的汽车的前后碰撞事故减少了50%。不幸的是,大多数事故发生在连最基本的ADAS应用程序都没有安装的车主身上。
  • 春运来了高速ETC却读卡出错!拆开看看哪里出了问题 2019年掀起了一股安装高速ETC的热潮,到去年年底,ETC用户一年内从7656万激增到1.92亿。但面对激增的一亿多用户,ETC的各种技术弊端开始浮出水面。据了解,当前的ETC设计仍是基于最初的技术,在这张芯片卡背后,到底有哪些技术细节可挖掘呢?
  • 回顾嵌入式系统20年开发之路 从1999年到2019年,嵌入式系统的开发工具——硬件、软件和方法日益精进。为了衡量20年来的变化,《Embedded.com》分别在1999年、2009年和2019年进行调查,提供了20年来嵌入式开发演变的缩影…
  • 汽车电子产品拉高了汽车成本? 如果你最近看过新车,就会发现它们的价格在过去几年中上涨了很多。那么,是什么原因导致汽车价格急剧上涨?首先是汽车的出厂质量和长期可靠性有了很大的改善;其次是新功能不断增加;汽车增强功能严重依赖的传感器和模 拟电路也产生了额外的成本。除了电子产品,是否还有其他重要因素推动汽车的价格显明上扬呢?
相关推荐
    广告
    近期热点
    广告
    广告
    广告
    可能感兴趣的话题
    广告