SiC MOSFET實現高功率EV充電

從電動車(EV)在汽車市場站穩腳跟以來，為滿足車主的需求和延長行駛里程，電動車製造商不斷增加車輛的電池容量。電動車製造商一直在追求更高功率的傳動系統、更大的電池容量和更短的充電時間。然而，電池越大，意謂著充電的時間就越長。

電動車最常見的充電方法，是車主停在家充一整夜或白天到工作場所充電。這兩種情況對電動車的功率要求有所不同。使用家中的住宅電源插座，可能無法在一個晚上後就，為電動車充滿電。工作場所提供的可能是中等功率的交流充電樁，如果汽車配備的是較低功率的車載充電器(OBC)，那麼充電樁使用時間可能會成為一個問題。加大電動車的OBC功率會讓充電時間更合理，但這也增加了系統複雜性和設計難度。雖然高功率直流充電樁可以將電池快充到80%的電量，但這還遠未普及。

為同時解決充電時間和性能問題，許多電動車平台正從目前的400V電池組遷移到800V電池組。當車輛處於行駛模式時，可以利用較高的可用電壓，在保持功率水準不變的情況下，增加馬達功率輸出或提高系統效率。在充電模式下，較高的電池電壓會降低電池充電所需的電流，並且可以縮短充電時間。影響OBC設計的兩個關鍵因素是電壓和開關頻率。透過增加電壓和開關頻率，可以明顯提高OBC容量。系統架構必須考慮更高的電壓，1200V元件之所以受歡迎，正是因為其擁有更高的阻斷電壓能力。

除了大力發展800V主電池組外，提高OBC的功率也是目前的主流趨勢之一。過去，6.6kW 功率的充電樁很常見。如今，很多設計都是11kW(分相電源)和22kW(三相電源)。雖然這種功率水準往往在住家環境鍾無法實現，但美國目前擁有超過126,000個這種功率水準的交流充電樁。OBC的功率越高，在車主上班的期間或許多公共場所充電就越快，進而協助車主無需在家中充滿電。隨著OBC功率水準的提高，碳化矽(SiC)MOSFET的優勢也進一步凸顯。

事實證明，在更高開關頻率的應用中，基於SiC的元件相比IGBT元件更具優勢。SiC技術還為800V電池的開發提供了設計優勢。它可以縮小OBC系統的尺寸並提高從發電到驅動的整體效率。

廠商如安森美在推出第一代1200V EliteSiC M1 MOSFET後，發布第二代1200V EliteSiC M3 MOSFET，優化了開關性能。M3S產品包括13/22/30/40/70 mΩ，適用於TO247-4L和D2PAK−7L的分立式封裝。NVH4L022N120M3S是符合車規要求的MOSFET，在1200 V時的導通電阻R_DS(ON)最低為22 mΩ。

產品如M3S需要的總柵極電荷Q_G(TOT)相比M1更少，大幅降低柵極驅動器的灌電流和拉電流(圖1)。在默認V_GS(OP)＝＋18V 的情況下，M3S的電荷為135 nC，與之前的M1相比，R_DS(ON)×Q_G(TOT)中的品質因數(FOM)減少44%，說明在導通電阻R_DS(ON) 元件相同的情況下，只需要56%的開關柵極電荷。

與M1相比，M3S在其寄生電容C_OSS中存儲的能量E_OSS更少，因此在更輕的負載下具有更高的效率(圖2)。由於E_OSS取決於漏源電壓，而不是電流，因此它是輕載時效率的關鍵損耗。

開關損耗是系統效率的關鍵參數。圖3可看出開關性能，其中在給定條件下該產品的開關性能大幅改善，E_OFF相比 M1降低了40%，E_ON降低了20~30%，總開關損耗降低了34%。在高開關頻率應用中，它將消除導通電阻R_DS(ON)溫度係數較高的缺點。

提高開關頻率有助於設計人員減小儲能元件，如電感器、變壓器和電容的尺寸，進而縮小系統體積。更緊湊的尺寸和更高的功率密度使OBC系統的封裝尺寸更小，這讓工程師有更多機會為車輛其他地方分配更多重量。此外，在更高的電壓下運行還可以減少整個車輛所需的電流，進而降低電源系統、電池和OBC之間的電纜成本。

(本文作者為安森美產品推廣工程師)