碳化硅推動電動汽車快速充電器的成本和性能優(yōu)勢

快速充電機會

快速充電站客戶要求充電器體積小、堅固耐用、可靠且高效，同時提供不到 30 分鐘的充電時間。通常 3 至 7 kW 的車載充電器需要四個小時或更長時間才能為當(dāng)今的電動汽車充電。為了縮短充電時間，快速板外充電器必須提供更高的功率——介于 80 kW 和 350 kW 之間。

這種快速充電器采用模塊化設(shè)計，采用 15 kW 至 25 kW 模塊。這允許充電站繼續(xù)運行，盡管容量減少，在維修和維護(hù)期間。

電動汽車充電器包括兩個主要模塊：AC/DC 轉(zhuǎn)換器和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。AC/DC 轉(zhuǎn)換器將三相電源從電網(wǎng)傳輸?shù)街绷髦虚g電壓，然后由 DC/DC 模塊轉(zhuǎn)換為快速充電 EV 電池所需的電壓。

交流/直流轉(zhuǎn)換

使用MOSFET和IGBT的AC/DC轉(zhuǎn)換器有幾種常見的硅（Si）實現(xiàn)。硅MOSFET的問題在于，阻斷電壓不可能超過650 V，同時保持芯片尺寸小并獲得高開關(guān)效率。雖然采用硅IGBT的兩電平拓?fù)淇梢蕴峁└哌_(dá)1.2 kV的電壓，但尺寸和效率仍然是一個挑戰(zhàn)。

基于碳化硅（SiC）的AC/DC轉(zhuǎn)換器（如圖1所示）可以解決硅的所有這些問題。所示參考設(shè)計使用1 mΩ的65 kV阻斷器件，具有48 kHz的高開關(guān)頻率，并向快速充電器的DC/DC部分輸出800 V。實驗結(jié)果表明，該電路在98 V輸入時提供超過5.480%的峰值效率。

圖中的碳化硅電路在元件數(shù)量方面也顯示出顯著的節(jié)省——基于 SiC 的設(shè)計中有 3 個有源器件 （C0065100M12K），而基于 Si MOSFET 設(shè)計的維也納拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中有 18 個有源器件，兩電平 IGBT 設(shè)計中有 25 個有源器件。在尺寸方面，基于碳化硅的電路消耗的面積減少了30%至<>%。

圖1：Wolfspeed 基于 SiC MOSFET 設(shè)計的兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比硅 AC/DC 轉(zhuǎn)換器更簡單、更小、更高效。

直流/直流轉(zhuǎn)換

可能需要快速充電器的 DC/DC 部分將近 800 VDC 轉(zhuǎn)換為最大 570 VDC。圖2將硅設(shè)計與碳化硅溶液進(jìn)行了比較。

圖2：在DC/DC部分，SiC具有效率更高、尺寸更小、元件數(shù)量更少、成本更低的優(yōu)勢。

在DC/DC轉(zhuǎn)換器中，硅實現(xiàn)也使用比碳化硅解決方案更多的有源器件?；?SiC 的設(shè)計在每個開關(guān)位置并聯(lián)使用兩個具有 65kV 阻斷能力的 1mΩ MOSFET，電路中總共有 20 個。該電路的整流器部分使用八個650 A、<> V碳化硅肖特基二極管。

該設(shè)計在 Wolfspeed 的 CRD-20DD09P-2 20 kW 全橋諧振 LLC 轉(zhuǎn)換器中實現(xiàn)。其額定輸入范圍為 650 V 至 750 V，輸出范圍為 300 V 至 550 V，最大輸出電流為 35 A。該參考設(shè)計在輸入為 98 V 和輸出為 3 V 時達(dá)到 750.570% 的峰值效率。與圖 15 所示的 2kW 硅基設(shè)計相比，碳化硅解決方案的功率提高了 33%，空間縮小約 25%。

基于碳化硅的 20 kW 模塊實施，使用 AC/DC 和 DC/DC 部分，可實現(xiàn)超過 96% 的交付效率。

充電站的未來

快速充電站將連接到智能電網(wǎng)，因此可能是雙向的，與硅相比，碳化硅設(shè)備可以更簡單地實現(xiàn)這一點?？焖俪潆娖骺赡軙峁╊~外的功能，例如娛樂和電子商務(wù)或電子零售（e-tailing）服務(wù)，同時為多達(dá)四輛電動汽車快速充電。

為了滿足各種消費者所需的效率、功率密度、可靠性和耐用性（參見電動汽車市場的快速充電），將需要碳化硅器件和模塊。這一現(xiàn)實部分反映在Yole Développement對48-2018年碳化硅功率模塊銷售復(fù)合年增長率2024%的預(yù)測中，是同期IGBT模塊復(fù)合年增長率的兩倍多。

這反映在 Wolfspeed 上，繼續(xù)開發(fā)用于快速充電器的碳化硅參考設(shè)計，這些設(shè)計通過現(xiàn)成的無源器件和磁性器件提供越來越高的功率和高頻操作。