碳化硅推动电动汽车快速充电器的成本和性能优势

快速充电机会

快速充电站客户要求充电器体积小、坚固耐用、可靠且高效，同时提供不到 30 分钟的充电时间。通常 3 至 7 kW 的车载充电器需要四个小时或更长时间才能为当今的电动汽车充电。为了缩短充电时间，快速板外充电器必须提供更高的功率——介于 80 kW 和 350 kW 之间。

这种快速充电器采用模块化设计，采用 15 kW 至 25 kW 模块。这允许充电站继续运行，尽管容量减少，在维修和维护期间。

电动汽车充电器包括两个主要模块：AC/DC 转换器和 DC/DC 转换器。AC/DC 转换器将三相电源从电网传输到直流中间电压，然后由 DC/DC 模块转换为快速充电 EV 电池所需的电压。

交流/直流转换

使用MOSFET和IGBT的AC/DC转换器有几种常见的硅（Si）实现。硅MOSFET的问题在于，阻断电压不可能超过650 V，同时保持芯片尺寸小并获得高开关效率。虽然采用硅IGBT的两电平拓扑可以提供高达1.2 kV的电压，但尺寸和效率仍然是一个挑战。

基于碳化硅（SiC）的AC/DC转换器（如图1所示）可以解决硅的所有这些问题。所示参考设计使用1 mΩ的65 kV阻断器件，具有48 kHz的高开关频率，并向快速充电器的DC/DC部分输出800 V。实验结果表明，该电路在98 V输入时提供超过5.480%的峰值效率。

图中的碳化硅电路在元件数量方面也显示出显著的节省——基于 SiC 的设计中有 3 个有源器件 （C0065100M12K），而基于 Si MOSFET 设计的维也纳拓扑结构中有 18 个有源器件，两电平 IGBT 设计中有 25 个有源器件。在尺寸方面，基于碳化硅的电路消耗的面积减少了30%至<>%。

图1：Wolfspeed 基于 SiC MOSFET 设计的两电平拓扑结构比硅 AC/DC 转换器更简单、更小、更高效。

直流/直流转换

可能需要快速充电器的 DC/DC 部分将近 800 VDC 转换为最大 570 VDC。图2将硅设计与碳化硅溶液进行了比较。

图2：在DC/DC部分，SiC具有效率更高、尺寸更小、元件数量更少、成本更低的优势。

在DC/DC转换器中，硅实现也使用比碳化硅解决方案更多的有源器件。基于 SiC 的设计在每个开关位置并联使用两个具有 65kV 阻断能力的 1mΩ MOSFET，电路中总共有 20 个。该电路的整流器部分使用八个650 A、<> V碳化硅肖特基二极管。

该设计在 Wolfspeed 的 CRD-20DD09P-2 20 kW 全桥谐振 LLC 转换器中实现。其额定输入范围为 650 V 至 750 V，输出范围为 300 V 至 550 V，最大输出电流为 35 A。该参考设计在输入为 98 V 和输出为 3 V 时达到 750.570% 的峰值效率。与图 15 所示的 2kW 硅基设计相比，碳化硅解决方案的功率提高了 33%，空间缩小约 25%。

基于碳化硅的 20 kW 模块实施，使用 AC/DC 和 DC/DC 部分，可实现超过 96% 的交付效率。

充电站的未来

快速充电站将连接到智能电网，因此可能是双向的，与硅相比，碳化硅设备可以更简单地实现这一点。快速充电器可能会提供额外的功能，例如娱乐和电子商务或电子零售（e-tailing）服务，同时为多达四辆电动汽车快速充电。

为了满足各种消费者所需的效率、功率密度、可靠性和耐用性（参见电动汽车市场的快速充电），将需要碳化硅器件和模块。这一现实部分反映在Yole Développement对48-2018年碳化硅功率模块销售复合年增长率2024%的预测中，是同期IGBT模块复合年增长率的两倍多。

这反映在 Wolfspeed 上，继续开发用于快速充电器的碳化硅参考设计，这些设计通过现成的无源器件和磁性器件提供越来越高的功率和高频操作。