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一輛純電動(dòng)車(chē) (EV) 充滿(mǎn)電需要多久？如果借助家用交流電源的話(huà)，恐怕怎么也得花上一整個(gè)晚上。為解決充電時(shí)間問(wèn)題，三級「快速」直流充電技術(shù)應運而生，有望將充電時(shí)間從數小時(shí)減少至數分鐘。本文中，我們將探討轉換效率與高速電源轉換之間的關(guān)系，并揭示新型寬禁帶技術(shù)非常適合此類(lèi)工作的理由。 充電時(shí)間和續航里程一樣重要 純電動(dòng)車(chē)正越來(lái)越流行，而隨著(zhù)潛在用戶(hù)對它們的了解愈發(fā)深入，純電動(dòng)車(chē)極有可能迎來(lái)更快速的發(fā)展。據美國能源信息署 (EIA) 預測，從2018年到2050年，續航里程達到160.9km、321.8km和482.8km級別的純電動(dòng)乘用車(chē)將實(shí)現29%的增長(cháng)。得益于美國聯(lián)邦和各州為刺激純電動(dòng)車(chē)需求而頒布的法案和激勵措施，越來(lái)越多的消費者愿意在購買(mǎi)新車(chē)時(shí)將純電動(dòng)車(chē)列入候選名單。不論消費者此舉是出于「保護地球環(huán)境」的「政治正確」，還是經(jīng)過(guò)詳細、明智的考察之后做出的認真決策，續航里程一定會(huì )是選擇過(guò)程中繞不過(guò)去的話(huà)題， 一些思慮更多的消費者可能會(huì )進(jìn)一步考慮充滿(mǎn)電所需要的時(shí)間。在絕大多數車(chē)主看來(lái)，純電動(dòng)車(chē)充電就好比燃油車(chē)加油，后者花費的時(shí)間顯然不會(huì )超過(guò)10到15分鐘； 然而，對于純電動(dòng)車(chē)，現實(shí)卻很骨感：大多數純電動(dòng)車(chē)都采用車(chē)載交流充電方案，必須花上整整一個(gè)晚上或者至少好幾個(gè)小時(shí)才能充滿(mǎn)電 (表1) 。目前，美國全國范圍內部署的純電動(dòng)車(chē)充電樁大都是一級充電樁（通常采用家用交流電）或二級充電樁（接入三相交流電的停車(chē)場(chǎng)和零售場(chǎng)所）。上述充電級別是由美國汽車(chē)工程師協(xié)會(huì ) (SAE) 定義的， 該協(xié)會(huì )的J1772標準規定了一級和二級充電樁的插頭和插座布局方式。對于二級和三級充電樁，SAE規定了一種組合的插頭和插座制式。 表1：純電動(dòng)車(chē)充電樁的類(lèi)型，表中列出了各種充電級別以及對應的充電時(shí)間和功率需求 (來(lái)源：安森美 (onsemi)) 
正如表1所示，如果純電動(dòng)車(chē)要解鎖如同燃油車(chē)一般的「快速回血」技能，就必須借助四級充電樁和支持直流充電的車(chē)輛。實(shí)現四級充電需要極高的功率，并且其設計重點(diǎn)不再是車(chē)載交-直流充電樁，而是大功率、高效率的直流充電樁。如今，四級充電樁雖然在技術(shù)上可行，但它對當地電網(wǎng)的要求極高，因此在綜合考慮充電時(shí)間、成本和電網(wǎng)承載能力三者平衡的情況下，三級充電樁成為了一種頗有前途的解決方案。 快速、大功率三級充電樁的設計 三級充電樁也稱(chēng)為「快充」充電樁，最大可提供500A電流，需采用高效三相電源轉換拓撲，這種拓撲通常使用帶直流-直流轉換器、基于Vienna整流器的功率因數校正 (PFC) 方法 (圖1) 。這種交流-直流轉換方法充分利用了電網(wǎng)三相電源中三個(gè)互不相同的電平，能夠以高效率、高密度、低物料消耗的方式實(shí)現所需輸出功率。
圖1：采用Vienna PFC轉換器拓撲的純電動(dòng)車(chē)三級充電樁 (來(lái)源：安森美) 采用Vienna拓撲有著(zhù)諸多優(yōu)勢，但也會(huì )帶來(lái)不小的挑戰，因為采用該拓撲需要實(shí)現大功率高頻轉換開(kāi)關(guān)操作，此舉還會(huì )產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗，加之轉換損耗所產(chǎn)生的熱量也需要得到處理。這些挑戰以及充電設備的位置所帶來(lái)的空間限制，驅使著(zhù)電源設計工程師不斷尋求超越當今硅基二極管和MOSFET特性的半導體制程技術(shù)。 寬禁帶器件 與傳統硅技術(shù)相比，寬禁帶半導體制程技術(shù)［例如碳化硅 (SiC) ］的開(kāi)關(guān)速度更高，因而能夠使用更小的電感器和電容器，從而降低物料成本，縮小所需的電路板空間 (圖2) 。碳化硅MOSFET的RDS(ON)較低，因而開(kāi)關(guān)損耗也較低，通常比硅MOSFET低100倍�？傮w而言，由于碳化硅器件的導電禁帶較寬，其擊穿電壓也較高，通�？蛇_硅器件介電強度的10倍。碳化硅還能在更高的溫度下維持導電性，從而使設備能夠運行在更高溫的環(huán)境中�？傊�，將碳化硅二極管和MOSFET用于三級充電樁可以帶來(lái)諸多優(yōu)勢，讓充電樁結構更緊湊、效率和性能更高。它不僅能夠讓充電樁的電路更加輕量化，更有可能降低組件的成本。
圖2：比較碳化硅器件和傳統硅器件的材料特性和應用優(yōu)勢 (來(lái)源：安森美) 安森美碳化硅產(chǎn)品組合 安森美是一家具備先進(jìn)技術(shù)的碳化硅器件供應商，可提供適用于三級充電樁的碳化硅寬禁帶二極管和MOSFET，其中二極管產(chǎn)品系列包含適用于650V和1200V電壓的產(chǎn)品，并且提供多種封裝形式，包括Decawatt封裝 (DPAK) 、TO-220、直接覆銅 (DBC) 和基板安裝模塊。以FFSH50120A為例，這是一款采用TO-247-2封裝制造的50A、1200V反向電壓肖特基碳化硅二極管，耗散功率達到730W，能夠在溫度高達+175°C的環(huán)境下工作。 其碳化硅MOSFET系列包括通過(guò)1200V車(chē)用級AEC-Q101認證的N溝道NVHL080N120SC1通孔安裝器件，該器件可以連續提供高達44A的電流，最大RDS(ON)為110mΩ。 基于碳化硅的寬禁帶二極管和MOSFET具有諸多優(yōu)異的特性，非常適合用于三級充電樁。其高速開(kāi)關(guān)能力、緊湊的尺寸和穩健的屬性使之成為設計大功率、節能和緊湊型充電樁的理想選擇。 來(lái)源：貿澤電子 作者：Robert Huntley |
