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解决电动汽车里程焦虑:利用功率半导体进步实现3级直流快速充电

2021-08-10 Steven Shackell,工业业务拓展部,安森美半导体 阅读:
目前,电动汽车的使用仍受到阻碍,主要在于“里程焦虑”问题,并且车主不愿在道路上等待数小时充电时间。然而,随着全国各地部署越来越多的充电桩,“直流快速充电”有望将等待时间缩短至数分钟。这些额定功率达350kW的大功率充电桩,必须利用最新的电源转换拓扑结构和半导体开关技术,以尽可能提高电能效来实现成本效益。本文将介绍这些大功率充电桩的典型设计方法,对功率器件的一些选择,以及最新的宽禁带半导体可带来的优势。

无可否认,电动汽车越来越受到广泛接受,据有关市场分析,其销售增长率约60%[1]。然而,该分析也指出,在2018年底其市场渗透率仅2.2%,因此,电动汽车要成为主流还有很长的路要走。尽管如此,制造商仍承诺,预计到2023年将有400多款电动汽车车型上市。XTEednc

让人们放弃使用汽油汽车的决定受许多因素影响,其中最重要的是购置成本,还有“里程焦虑”的问题。电动汽车用于短途通勤和本地出行可能没有问题,因为可使用家用充电器在夜间为电动汽车充电。真正让人却步的是,电动汽车行驶里程一般少于300英里,这对于长途驾驶来说就不够用。尤其是在充电点很少且隔得很远的地区,如果充电需要花费几个小时,那么使用电动汽车就很难得以实行。即使是在家中用240VAC电源为已耗尽电量的100kWh电池(如在特斯拉中)充满电也可能需要14个小时,这就导致第二天几乎不够时间出行。但是,随着“快速”直流充电桩的出现,充电时间将可以以分钟而不是小时来计算。XTEednc

充电

在家、办公室和路边充电有不同的充电方案,大众可能对术语也有一些争议,但普遍认可的是,“1级(Level 1)”是指使用常规120VAC家庭插座(欧洲为230/240VAC)进行充电,这种充电速度最慢。“2级”是指利用240VAC,或有时指利用内置控制和保护的已安装充电桩所提供的400VAC三相电进行充电。Level 2可提供更快的充电速率,但这仍然是基于家庭使用。Level 1和Level 2均利用车载充电器为电池产生直流电。3级是指利用静态AC-DC转换器直接向电池进行直流充电,这通常是在加油站,并需要使用三相AC电源。这种配置的最大功率为350kW,充电时间可缩减至数分钟,这类似于为内燃机(ICE)车辆加油所需的时间。1总结了在美国电动汽车三种充电级别的表现。XTEednc

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1:充电级别和性能(美国)XTEednc

电桩技术

功率达350kW的3级充电桩设计要求极高,低成本永远需优先考虑,然而转换能效也是关键。每浪费一瓦特电就意味着更高的电费、更少的电量提供给电池,以及更长的充电时间,而过多的热量损失也降低了电动汽车的环保优势。高能效还可降低冷却硬件的需求,从而有助于缩减成本和尺寸。2展示了典型的直流快速充电桩框图,并重点显示了主要元素。XTEednc

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2:典型的快速直流充电桩框图XTEednc

数千瓦级别的充电桩通常使用“维也纳(Vienna)整流器”来实现三相交流整流和功率因数校正(PFC)。3显示了两种不同的拓扑。拓扑1的器件较少​​,能效最高,但是二极管必须使用较昂贵的1200V类型,并且六个开关需要提供复杂的控制。而拓扑2则仅使用三个开关,控制较为简单,且二极管可以是600V类型,但因传导路径中有更多的二极管,能效较低。在每种拓扑中,都可使用高压硅(Si) MOSFET或碳化硅(SiC) MOSFET。若为了尽可能降低成本,如能将频率保持在较低水平,则可考虑使用IGBT。设计充电桩的工程师可从安森美半导体[2]中选择不同器件,例如,其“第4代场截止(Field Stop 4)”器件可提供650V或950V额定值的低速、中速和高速版本,具有不同的饱和电压和体现动态损耗的EOFF值。在较高的额定电压下,可能需要基于IGBT的三相半桥整流器/PFC级,安森美半导体的“超场截止(Ultra Field Stop)”1200V器件也有低速和高速版本,并具有同类最佳的VCESAT和EOFF。XTEednc

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3Vienna整流器拓扑XTEednc

Vienna整流器级用于为主DC-DC转换级产生一个稳定的高压总线,这是其中一种拓扑。4所示的全桥交错LLC和三级LLC是最常见的实现方法。交错版本可使用650V超级结MOSFET,因为每个MOSFET只有一半的电源电压。安森美半导体的SuperFET III技术可实现这些拓扑,它分为三个版本:“易驱动版本(Easy Drive)”集成了栅极电阻以降低电磁干扰(EMI)和电压尖峰;“快速版本(Fast)”用于硬开关应用中实现最高能效;“快速恢复版本(FRFET)”具有同类最佳的体二极管,可用于在LLC等谐振转换器中实现最佳性能。XTEednc

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4:替代转换器拓扑XTEednc

为了获得更高的能效和功率密度,工程师可使用900V/1200V SiC MOSFET,以在较高的开关频率下使用较小的磁性元器件,抵消较高的器件成本。高额定电压支持仅使用单个H桥,无需交错,开关数量更少,从而再次节省成本。对于成本非常敏感的应用,可使用安森美半导体的场截止系列的650V或1200V IGBT,但其开关频率较低,因此磁性元件更大且成本更高。输出二极管可以是1200V的“Stealth”或“Hyperfast”硅类型,也可以是损耗更低的1200V SiC类型。XTEednc

三级LLC拓扑使用较少的二极管和开关,集成了相关的隔离型栅极驱动,尽管需要三个变压器,但输出纹波要低得多。同样,可使用超级结Si或SiC-MOSFET或IGBT,具体取决于对性能/成本的权衡。XTEednc

禁带SiC器件提供广泛的性能改进

采用SiC宽禁带开关和二极管有很多好处,快速、低损耗的高压开关可减少系统成本、尺寸和重量,同时实现节能。我们通过实验对使用Vienna整流器和全桥LLC转换器的硅方案与基于碳化硅的三相半桥整流器/PFC和全桥LLC转换器进行了比较,结果显示,采用SiC版本的方案,功率输出提高了25%,重量减少22%,体积减少62%,器件数减少20%,从而使产品更可靠。XTEednc

装也在发展

能否充分利用功率半导体通常取决于封装,尤其是在较高的开关频率下,引线电感等寄生效应会降低性能。安森美半导体创新的PQFN、LFPAK和TO无引脚封装可解决这一问题,同时提供了增强的散热性能。为大幅减少生产装配时间和器件数,可考虑使用电源集成模块(PIM)。PIM将多个器件集成在一个封装中,包括IGBT、Si和SiC MOSFET、混合Si和SiC二极管的模块以及检测电阻等其他元器件。预集成的PIM的性能是有保证的,能消除开发风险,减少器件库存并加快产品上市时间。XTEednc

总结

在高能效电源转换拓扑中采用最新一代功率半导体,可实现快速电动汽车直流充电桩设计,解决“里程焦虑”问题。安森美半导体垂直集成了提供IGBT、Si和SiC MOSFET以及二极管的所有工艺,可提供完整的电源方案,并且提供了一系列全面的支持器件,例如模拟和数字控制器、隔离栅极驱动器、低损耗电流检测放大器和光耦合器。XTEednc

参考文献

[1] EV-Volumes.com; McKinsey analysisXTEednc

[2] www.onsemi.comXTEednc

原文标题:Advances in Power Semiconductors Enable Level 3 DC Fast Charging Overcoming EV Range AnxietyXTEednc

本文为《电子技术设计》2021年8月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里XTEednc

责编:赵明灿XTEednc

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