德欧泰克|SiC和硅基组件在电动汽车充电电路中的应用-电子工程世界

2023年11月在意大利举办的Fortronic 2023活动上，Diotec Semiconductor的产品经理乌多·斯坦布鲁纳（Udo Steinebrunner）发表了题为“SiC和硅基组件在电动汽车充电电路中的应用”的演讲。本文将分享Steinebrunner演讲中涉及的话题。

DIOTEC SEMICONDUCTOR

是一家成立于1973年的欧洲功率半导体制造商，总部位于德国海特斯海姆。海特斯海姆位于德国西南部，靠近法国和瑞士边界，是Diotec的总部、研发、晶圆、芯片制造、装配和全球仓库的所在地。Diotec在斯洛文尼亚设有第二家工厂，具有晶圆、芯片制造和装配能力。其他全资拥有的工厂位于印度和中国。

SiC基功率器件的优势

想象一天有充足阳光，通过光伏电池板等可再生能源产生大量能源。当电动汽车停放并连接到充电系统时，可以利用这些能源有效地为电池充电。这种多余的能源，可能达到约80%，在驾驶员晚上回家时仍然可以保留。重新连接到电网时，这些能源可以返还到电网，为家庭活动提供电力，如照明或观看电视。双向充电确实是一个有价值的功能，硅碳化物器件在其效率方面发挥了重要作用。

SiC提供的提高效率可以归因于其对磁性元素的影响。

图1 显示基于硅的超快恢复二极管的开关损耗

充电电池需要高电流，通常需要大型线圈。为了最小化体积，解决方案在于提高元件的开关频率。挑战在于保持充电系统的紧凑和简化设计，避免过度臃肿。

二极管

为了更好地理解为什么SiC具有优势，让我们来看一个传统的基于硅的超快恢复二极管，如图1所示。具体而言，ESW6004是一款60A 400V的快速恢复二极管，反向恢复时间为32纳秒。图1中红色阴影区域表示从导通状态到关断（阻挡）状态的过渡特性，决定了功率损耗。开关损耗可能是可观的，并且随着频率的增加，这些损耗升高，导致器件产生过多的热量。

观察SiC器件，比如SICW 40C120，一个40A 1,200V的SiC整流器，揭示了开关损耗几乎是可以忽略的，虽然不是完全没有。这在图2中的小峰值中得以体现，与硅二极管相比，损耗显著降低。这表明，特别是对于极高的开关速度和频率，SiC器件是更优越的选择。

图2：SiC基二极管的开关损耗

观察两种二极管的正向电压（VF）规格，我们可以看到SiC二极管的VF相对于硅二极管较高（2.0V，而不是1.4V），这是SiC的一个缺点。这意味着，在直流操作或低频操作的情况下，寻找SiC二极管可能是不切实际的，因为传统的硅器件是更好的选择。

MOSFET

在处理SiC MOSFET时，目标是以极高的频率运行。在高频率下，甚至微小的电感也会成为问题。这包括元件和封装内的键合线，当处理非常高的电流和快速的开关速度时，可能会在零件激活过程中引起问题。

图3：Kelvin源封装对SiC MOSFET的优势

这个挑战的解决方案是Kelvin源MOSFET封装，如图3所示。这个封装包含了用于驱动MOSFET的特殊源连接。通过将驱动路径与功率路径分离，优势在于MOSFET可以更快地开启，消除键合电感的影响。

此外，更快的激活减少了错误开启的风险。当零件关闭时，它会安全关闭。最终，在非常高的开关频率下，特别是与传统封装配置相比，Kelvin源MOSFET被证明是一种更优越的器件。

桥式整流器

让我们来看一个标准的电池充电器，比如许多家庭中常见的壁式充电器。

尽管壁式充电器的名义额定功率为3千瓦，但典型功耗为1千瓦。壁式充电器的关键组件之一是桥式整流器。在使用GBU10K元件的1千瓦充电器中，它从电网吸取约4安培的电流。由于每个半波只有两个二极管导通，每个二极管的电压降为0.98伏，计算显示桥式整流器中的功耗为7.8瓦。

Diotec推出了一款新型桥式整流器，即GBU10K-LV，其VF更低，为0.87伏。重新计算后，桥式整流器的总功耗降至6.7瓦。考虑到这种壁式充电器在家庭中的广泛使用，目前全球市场总量约为1.2亿台。假设其中有10%的壁式充电器采用了新的低功耗桥式整流器，我们的计算显示，仅通过采用不同的桥式整流器，全球可能实现约5800万千瓦时的潜在能源节约。这是一个相当令人印象深刻的结果，而我们仅仅谈论的是一个单独的整流器桥。

电动汽车还有另一个关键组件，即负载转峰保护系统。

电动汽车不仅具有高容量、高电压的主电池，还有一个用于为辅助系统供电的常规12V电池，如信息娱乐系统显示、灯光、雨刮器等。

该电池还用于启动和关闭汽车时连接和断开高电压系统的开关。因此，电动汽车可以使用常规电缆启动燃油发动机汽车，反之亦然。在启动过程中，存在一个潜在的“负载转峰”现象，它涉及在断开电池连接时，发电机仍连接时产生瞬态电压尖峰。这个电压峰值可能达到约100V，使车辆的电子设备面临风险。

因此，每辆电动汽车必须配备负载转峰保护。负载转峰保护二极管通常将这个电压峰值限制在约35V左右，这在车辆电子设备的可接受范围内。Diotec提供负载窜改保护器件，包括LDP01，其峰值脉冲功率能力为4.6kW，LDP02（5kW）和LDP03（6.6kW），目前处于开发阶段。所有这些组件采用工业标准的TO-263AB封装，而市场上大多数设备都采用DO-218封装。TO-263AB封装有大规模生产的优势，从而大大降低了成本。

ESD保护

当我们谈到负载转峰保护器件时，必须介绍一个类似的项目：静电放电（ESD）保护。在冬季，空气干燥时，如果我们触摸车门把手，可能会被电击到。

对于人类来说，这不是问题；只是一点小震动。然而，对于电子设备而言，这可能是一个严重的问题，因为这种ESD可能会损坏电子设备。在充电电缆方面，我们必须触摸它，这有可能对电动汽车充电系统的电子设备产生ESD放电的风险，这必须避免。

Diotec提供了两种带有集成ESD保护的组件。MMFTN620KD-AQ是带有集成门保护二极管的双MOSFET。在发生ESD事件时，设备不会受到损坏。ESDALC208是一个ESD阵列，可用于保护信号和数据线免受ESD影响。在电动汽车充电电子设备中使用这些组件，以避免ESD引起的损坏。

引用地址：德欧泰克|SiC和硅基组件在电动汽车充电电路中的应用

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