芯耀
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從低功率物聯(lián)網(wǎng)（IoT）傳感器到高功率太陽能逆變器，功率轉(zhuǎn)換幾乎是所有設計中的一項基本功能。可再生能源的發(fā)展趨勢和電動汽車采用率的提高需要更為高效可靠的能源轉(zhuǎn)換。本文將重點介紹其中的一些動態(tài)，探討給電子工程帶來的挑戰(zhàn)，并解釋寬帶隙碳化硅（SiC）技術如何迅速獲得業(yè)界采用。由于碳化硅器件在效率和尺寸優(yōu)于其他半導體技術，因而非常適合用于高功率應用。
本文只專注于一個應用：快速直流電動汽車充電器，我們將討論典型充電器的工程挑戰(zhàn)和高級架構，簡要分析分立與模塊化方法設計中的注意事項，之后會介紹onsemi F1半橋模塊。
高功率能量轉(zhuǎn)換的挑戰(zhàn)
功率轉(zhuǎn)換是一個非常廣泛的話題。無論對于電池供電的網(wǎng)絡邊緣節(jié)點物聯(lián)網(wǎng)傳感器，還是大型商用太陽能轉(zhuǎn)換器，功率轉(zhuǎn)換和管理都同樣重要，他們之間的區(qū)別僅在于所涉及的功率水平不同。傳感器在運行期間可能僅消耗幾毫瓦功率，而太陽能發(fā)電設備則可能達到數(shù)千瓦。功率轉(zhuǎn)換對于從一個電壓變換到另一個電壓也至關重要。例如，物聯(lián)網(wǎng)傳感器的微控制器電壓要求通常在3.3V或5V，但一般適合于此類應用的化學電池標稱電壓為3.7V。這同樣適用于更高功率應用，如太陽能充電轉(zhuǎn)換器、不間斷電源和電動汽車充電器等，這些都需要將一個電壓轉(zhuǎn)換為另一個電壓。盡管這些應用實例之間存在巨大的功率差異，但轉(zhuǎn)換效率都很重要。在高功率轉(zhuǎn)換應用中，低能效功率轉(zhuǎn)換會導致能量損失，并表現(xiàn)為產(chǎn)生熱量。過多的廢熱需要消散，以保持電子電路冷卻并可靠工作。消散這些熱量，并將其從功率轉(zhuǎn)換半導體中移走是一項熱管理挑戰(zhàn)。
寬帶隙碳化硅半導體技術
在所有高功率能量轉(zhuǎn)換應用中，轉(zhuǎn)換效率主要取決于功率半導體的特性。半導體中的一些特性會導致器件內(nèi)部發(fā)生能量損失，一起導致產(chǎn)生熱量。盡管熱量的測量單位為mΩ，但半導體的導通電阻RDS(on)可能成為涉及數(shù)百或數(shù)千安培的高功率應用的重要考慮因素。硅功率半導體技術已達到其熱和電子性能的極限，隨著全球?qū)δ茉葱实娜找嬷匾?，新的半導體工藝技術已經(jīng)出現(xiàn)。
碳化硅等寬帶隙半導體工藝技術能夠提供比硅高得多的熱性能和電子性能，允許它們在更高開關頻率、更高電壓和更高溫度下工作。圖1比較了不同半導體材料和應用案例的功率管理和開關頻率特性。
圖1：不同半導體材料的功率、開關頻率和應用案例。（來源：onsemi）
與硅器件相比，SiC具有許多優(yōu)點，包括熱導率提高了3倍，能帶隙增大了3倍。對于采用600V硅器件的應用，則可以使用1200V開關電壓的SiC器件。因此，SiC半導體（如SiC-MOSFET）越來越多地用于電動汽車充電器等高功率能量轉(zhuǎn)換應用，這也許不足為奇。SiC器件還可以在更高功率密度下工作，從而實現(xiàn)體積更小的設計，這是空間受限的電動汽車充電器和路旁充電基礎設施所需的一個特性。
隨著SiC工藝技術的成熟，更小的工藝節(jié)點能夠提供體積更小，且價格更具有競爭力的MOSFET，進一步加快市場的采用。
快速直流電動汽車充電器的架構探討
廣泛而隨時可用的充電基礎設施是電動汽車增長的關鍵因素。車載充電器提供了一種簡單而緩慢的充電方法，可以在夜間通過家用電源為電動汽車充電。為了實現(xiàn)更快速充電，直流充電器的運行功率一般高于家用電源所能提供，需要大量的電氣基礎設施?？焖僦绷鞒潆娖魍ǔＴ?0kW功率以上，預計充電時間為兩小時。更高功率容量充電站可以擴展到350kW，并能夠?qū)⒊潆姇r間縮短到10分鐘以下。
負責設計快速直流電動汽車充電器的工程師面臨幾個開發(fā)限制。其中最重要的是，電動汽車充電基礎設施完全無人值守，一般需要在易受雨水、灰塵和極端溫度影響的室外環(huán)境中運行。另外，如果充電器在充電基礎設施有限的偏遠地區(qū)出現(xiàn)故障，駕駛員可能會因此陷入困境，因而運行的可靠性也至關重要。
快速直流充電器的高水平設計目標可能會包括嚴格的能源效率目標、用戶安全和有效熱管理，而且受所處位置的環(huán)境溫度影響很小。電動汽車充電樁不僅需要適應主電源功率轉(zhuǎn)換的所有可能情況，還必須監(jiān)控充電、與車輛控制系統(tǒng)交互以及與服務提供商的計費系統(tǒng)通信。在這些設計中物理空間總是非常重要，機械工程師應為充電站內(nèi)的適當熱管理分配足夠的空間余量。充電基礎設施還應符合所有相關的電氣安全、功能安全和車輛充電標準（CCS、CHAdaMO、特斯拉等）。高頻、高功率開關轉(zhuǎn)換器的另一個相關考慮因素是需要符合所在地區(qū)和國家電磁干擾（EMI）標準。
圖2所示為一個快速直流電動汽車充電器的基本架構，其中兩個主要組件是一個AC/DC三相功率因數(shù)校正（PFC）或有源前端（AFE）功能，以及一個高功率隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器。高功率充電站通常使用多個15kW至75kW的子單元來實現(xiàn)所需容量。
圖2：快速直流電動汽車充電器的架構。（來源：onsemi）
每個功能模塊可能以不同的拓撲實現(xiàn)，例如，用于PFC升壓級的T中性點鉗位（T-NPC）和用于DC/DC轉(zhuǎn)換的全橋LLC零電壓開關（ZVS）。
圖3所示為一個典型電動汽車充電器三相PFC升壓轉(zhuǎn)換器，其中采用了T-NPC拓撲中的1200伏SiC MOSFET模塊。
圖3：一個采用T-NPC拓撲架構的典型三相PFC級。（來源：onsemi）
對于DC/DC轉(zhuǎn)換器級，采用半橋SiC MOSFET模塊實現(xiàn)的雙有源橋拓撲架構能夠提供緊湊而高效的布置。
SiC模塊能夠為電動汽車充電基礎設施提供高效和更佳解決方案
盡管功率系統(tǒng)工程師可以使用分立SiC MOSFET構建電動汽車充電器的PFC和DC/DC轉(zhuǎn)換器級，但封裝好的SiC MOSFET功率集成模塊（PIM）可提供空間和熱管理優(yōu)勢，一個例子是onsemi NXH006P120MNF2PTG雙組SiC MOSFET模塊。該半橋模塊是將一個6mΩ RDS(on)，1200V MOSFET和一個熱敏電阻集成在一個緊湊、高熱效率的F2封裝內(nèi)（參見圖4）。
圖4：onsemi 1200V、10mΩ SiC MOSFET和集成式熱敏電阻整合在高熱效率F1封裝內(nèi)部。（來源：onsemi）
SiC半橋MOSFET模塊適用于太陽能逆變器、電動汽車充電和工業(yè)電源等應用。
圖5所示為一個25kW 電動汽車充電器PFC和DC/DC轉(zhuǎn)換器級中使用的NXH010P120MNF1模塊。6組PFC功能（左側(cè)）提供功率因數(shù)校正和AC/DC轉(zhuǎn)換，并將DC/DC轉(zhuǎn)換器的DC輸入電壓提升至800V。
圖5：使用onsemi NXH010P120MNF1 SiC MOSFET模塊的25kW EV充電器功能架構。（來源：onsemi）
圖6所示為雙有源橋布局示意圖，其中顯示了初級和次級功率集成模塊（PIM），無需采用散熱器和強制冷卻風扇。DC/DC轉(zhuǎn)換器可提供車輛和三相電源之間的隔離，并根據(jù)電動汽車電池管理系統(tǒng)的要求調(diào)整輸出電壓和電流。
圖6
onsemi SiC半橋模塊具有外形緊湊、低RDS(on)、優(yōu)化的熱管理和高工作頻率等特性，使其成為高功率電動汽車充電基礎設施應用的理想選擇。
高功率SiC模塊加速高能效功率轉(zhuǎn)換應用的開發(fā)
隨著電動汽車銷售的持續(xù)增長，快速開發(fā)和部署可靠的充電基礎設施至關重要。本文著重介紹了半導體工藝技術的最新進展，并討論了基于碳化硅的MOSFET與硅材料相比所具有的優(yōu)越特性。通過將多個SiC MOSFET封裝成緊湊、熱管理優(yōu)化的外形尺寸，工程師能夠?qū)⒏吖β兽D(zhuǎn)換應用快速推向市場。
