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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(shè)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(shù)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(dǎo)體技術(shù)，因而非常適合用于高功率應(yīng)用。
本文只專注于一個應(yīng)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(gòu)，簡要分析分立與模塊化方法設(shè)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(luò)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(shè)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(guān)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(yīng)用的化學(xué)電池標(biāo)稱電壓為3.7V。這同樣適用于更高功率應(yīng)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(yīng)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(yīng)用中，低能效功率轉(zhuǎn)換會導(dǎo)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(dǎo)體中移走是一項熱管理挑戰(zhàn)。
寬帶隙碳化硅半導(dǎo)體技術(shù)
在所有高功率能量轉(zhuǎn)換應(yīng)用中，轉(zhuǎn)換效率主要取決于功率半導(dǎo)體的特性。半導(dǎo)體中的一些特性會導(dǎo)致器件內(nèi)部發(fā)生能量損失，一起導(dǎo)致產(chǎn)生熱量。盡管熱量的測量單位為mΩ，但半導(dǎo)體的導(dǎo)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(yīng)用的重要考慮因素。硅功率半導(dǎo)體技術(shù)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?dǎo)體工藝技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)。
碳化硅等寬帶隙半導(dǎo)體工藝技術(shù)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(guān)頻率、更高電壓和更高溫度下工作。圖1比較了不同半導(dǎo)體材料和應(yīng)用案例的功率管理和開關(guān)頻率特性。
圖1：不同半導(dǎo)體材料的功率、開關(guān)頻率和應(yīng)用案例。（來源：onsemi）
與硅器件相比，SiC具有許多優(yōu)點，包括熱導(dǎo)率提高了3倍，能帶隙增大了3倍。對于采用600V硅器件的應(yīng)用，則可以使用1200V開關(guān)電壓的SiC器件。因此，SiC半導(dǎo)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(yīng)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(shè)計，這是空間受限的電動汽車充電器和路旁充電基礎(chǔ)設(shè)施所需的一個特性。
隨著SiC工藝技術(shù)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(gòu)探討
廣泛而隨時可用的充電基礎(chǔ)設(shè)施是電動汽車增長的關(guān)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(chǔ)設(shè)施?？焖僦绷鞒潆娖魍ǔＴ?0kW功率以上，預(yù)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(zé)設(shè)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(chǔ)設(shè)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(chǔ)設(shè)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(guān)重要。
快速直流充電器的高水平設(shè)計目標(biāo)可能會包括嚴(yán)格的能源效率目標(biāo)、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(yīng)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(wù)提供商的計費系統(tǒng)通信。在這些設(shè)計中物理空間總是非常重要，機械工程師應(yīng)為充電站內(nèi)的適當(dāng)熱管理分配足夠的空間余量。充電基礎(chǔ)設(shè)施還應(yīng)符合所有相關(guān)的電氣安全、功能安全和車輛充電標(biāo)準(zhǔn)（CCS、CHAdaMO、特斯拉等）。高頻、高功率開關(guān)轉(zhuǎn)換器的另一個相關(guān)考慮因素是需要符合所在地區(qū)和國家電磁干擾（EMI）標(biāo)準(zhǔn)。
圖2所示為一個快速直流電動汽車充電器的基本架構(gòu)，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(gòu)。（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(guān)（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(gòu)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(gòu)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(chǔ)設(shè)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(gòu)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(yīng)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(gòu)。（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(fēng)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(chǔ)設(shè)施應(yīng)用的理想選擇。
高功率SiC模塊加速高能效功率轉(zhuǎn)換應(yīng)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(chǔ)設(shè)施至關(guān)重要。本文著重介紹了半導(dǎo)體工藝技術(shù)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(yīng)用快速推向市場。
