顯著提升充電效率，基本半導體應用于高壓快充的E2B碳化硅功率模塊方案解析
發表時間：2024-07-03 19:05
摘 要
充電樁采用碳化硅模塊可以增加30﹪的輸出功率，減少50﹪的損耗。目前在充電樁領域，碳化硅應用處于快速增長階段，預計到2025年將提升至35﹪，市場規模將達200億元。
年來，充電時長已經成為影響新能源汽車駕駛體驗的關鍵因素，市場對提高車輛充電速度的需求變得越來越迫切。高電壓和大電流都可縮短充電時間，但考慮到銅線損耗的因素，高壓大功率比大電流方案更有效率。而要提升充電速度，必然要關注大功率充電，在不提高整車電壓平臺的條件下，必須增大充電電流，但這樣也會導致端子、線纜的發熱量增加，繼而溫度升高。持續高溫容易損害充電裝置，嚴重的還會引發安全事故，為避免這種情況，必須將充電槍端子及線纜的發熱量及溫升降低，常用的方法就是增大導體截面積。然而增大導體截面積后會增加線纜的重量，用戶使用會很不方便。考慮到充電槍的電流約束，適合的辦法是通過提升電壓平臺實現大功率充電。
圖1 高壓快充架構下電池系統成本與低壓大電流架構的對比
目前主流車企均在布局高壓快充車型，預計2026年800伏以上高壓車型銷量將過半，但我國適配高壓快充的高壓充電樁數量不足。為此，主流車企和充電運營商正加快研發推出大功率快充樁，亟需更耐高壓、耐高溫、更小型化的新型功率器件，以滿足充電設備對效率和安全的更高要求。
作為第三代半導體材料，碳化硅具有寬禁帶、高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率等優異特性。與傳統硅材料比較，碳化硅器件能有效滿足充電樁設備耐高壓、耐高溫、更小型化新型器件的需求，幫助實現新能源汽車快速充電的目標。此外，碳化硅還能提高單位功率密度，減小模塊體積并簡化電路設計，對降低充電樁成本起到重要作用。
圖2 傳統硅功率器件單向充電樁方案
圖3 碳化硅功率器件雙向充電樁方案
傳統硅方案充電樁模塊電源中，DC/DC拓撲采用650V硅基超結MOSFET組成兩個全橋串聯的LLC，使用1200V碳化硅MOSFET以后，系統可以簡化為一個LLC諧振回路，器件數量大幅度減少，有利于提升系統可靠性。尤其是關斷損耗更小的碳化硅MOSFET，更適合充電樁電源模塊DC/DC部分的LLC/移相全橋等電路拓撲。
同時，1200V/40mΩ碳化硅MOSFET分立器件在風光儲充、車載充電、汽車空調等領域的電源模塊上被廣泛應用，規模優勢使碳化硅MOSFET成本進一步降低，使得用1200V碳化硅MOSFET的系統成本比使用650V硅基超結MOSFET的更低，產品更具有競爭力。
圖4 基本半導體1200V碳化硅MOSFET
此外，大功率（50kW~60kW）的充電模塊功率密度高，體積有限，如果采用分立器件，并聯數量會很多，給均流、安裝和散熱帶來了非常高的挑戰，而采用碳化硅 MOSFET模塊方案，則可以很好地解決上述問題。
圖5 基本半導體1200V碳化硅MOSFET E2B半橋模塊在充電樁中的應用
基本半導體PcoreTM2 E2B 全碳化硅半橋MOSFET模塊BMF240R120E2G3基于高性能晶圓平臺設計，在比導通電阻、開關損耗、抗誤導通、可靠性等方面表現出色。高溫(Tvj=150℃)下的RDS(on)參數僅比常溫(Tvj=25℃)時增加1.4倍左右。產品內置碳化硅肖特基二極管，使得續流二極管基本沒有反向恢復行為，大幅降低模塊的開通損耗。產品還引入氮化硅(Si3N4)AMB陶瓷基板及高溫焊料，可改善長期高溫度沖擊循環的CTE失配，陶瓷板的可靠性大幅提升。
圖6 PcoreTM2 E2B 全碳化硅半橋MOSFET模塊BMF240R120E2G3
在高壓快充的大背景下，以基本半導體為代表的碳化硅功率器件企業將不斷加大研發力度，確保技術能緊跟行業趨勢和市場需求，為充電樁設備制造企業提供更高性能的碳化硅功率器件。隨著新能源汽車、光伏產業的快速發展，碳化硅器件在電力設備行業中還將有更廣泛的應用，其市場規模還有的成長空間，預計碳化硅功率器件在光伏逆變器的滲透率將從 2020年的10﹪增長至 2048年的85﹪。
