作者簡介

周明（1984），男，工學碩士，工程師，主要從事電力電子技術方面的研究應用工作，ming.zhou@infineon.com

施三保（1980），男，工學碩士，工程師，主要從事電力電子技術方面的研究工作，simon.shi@infineon.com

引言

傳統汽車行業的智能化、電動化趨勢目前已經是為人們所不容置疑的共識，由此必將帶來周邊行業（如充電樁等）的爆發式增長。同時，碳化硅功率器件作為第三代半導體技術，因其高耐壓，高開關頻率和高耐溫等優點在電能轉換中得到大規模的應用，也必將是大勢所趨。然而，由于各種原因，目前碳化硅在充電樁中的應用還沒有大規模的展開，學界對于碳化硅在充電樁中的應用研究和探討還不夠充分。

因此，分析充電樁模塊技術發展的挑戰和趨勢，闡述碳化硅器件的良好性能，并探討碳化硅器件在充電樁模塊系統應用的優勢就顯得很有必要。

充電樁模塊技術發展現狀

為滿足2020年500萬輛電動車的充電需求，國家規劃建設480萬臺充電樁，發布了如《電動汽車充電基礎設施發展指南（2015-2020年）》等一系列文件并提供了各種優惠政策，充電樁行業自2015年開始如雨后春筍般發展。截止2017年底和2018年底全國充電樁保有量分別約為45萬臺和78萬臺，對應全國新能源汽車的保有量分別約為153萬輛和261萬輛（源自公安部交通安全微發布）。

伴隨著巨大的市場應用前景，充電樁模塊也存在著一些技術挑戰，如市場競爭激烈導致對系統整體成本下降的要求，惡劣環境下（如高溫高濕鹽霧灰塵等）長時間工作導致可靠性問題，建設用地緊張導致對充電樁更高的功率密度要求，運營商因成本壓力而提出越來越高的整機效率要求等等。面對這些技術挑戰，越來越多的充電樁模塊工程師開始尋求第三代功率半導體碳化硅解決方案，以實現使用更少的器件滿足更大的單機容量要求。

同時，充電樁也有一些新的技術方向，如大功率化（比如30kW及以上）以實現電動車的快速充電，雙向充電功能以實現能量的回饋，更高更寬的輸出電壓范圍（比如200V-750V甚至到1000V）以覆蓋各種不同新能源車型電池等等，這些新的技術發展方向也給碳化硅半導體提供了巨大的應用機會。

碳化硅技術簡介

碳化硅和硅材料的特性對比如表1所示，其中更高的帶隙和擊穿電壓對應了碳化硅器件在相同材料厚度下可以做到更高的耐壓等級；更高的熱導率表明碳化硅器件熱阻可以做到更小；更低的理想本征遷移率表明碳化硅器件可以實現更低的Rds.on；電子飽和速度越大決定了其可以實現更高的開關速度。

表1：碳化硅和硅材料性能對比

更高的開關速度意味著讓系統可使用簡單而容易控制的電路（兩電平而非三電平），讓系統可使用高開關頻率及小型磁元件，在更小的機箱處理相同的功率。以上優勢分析都表明，碳化硅功率器件可以極大的提高電力電子能量轉換功率密度，效率和可靠性并降低系統成本。在光伏太陽能和UPS領域，正逐步投入使用。

英飛凌碳化硅技術

英飛凌是最早接觸碳化硅材料的廠家之一，有著15年批量供貨碳化硅器件的歷史，有著碳化硅二極管，碳化硅MOSFET和碳化硅模塊等一系列產品。從碳化硅材料到碳化硅功率半導體的產品化中不可避免的遇到了一個門極氧化層的可靠性問題。門極氧化層由SiO2組成，作用在于提供與漏極源極之間的絕緣，同時門極電壓超過Vgs.th時提供反向通道。碳化硅材料高能量帶隙引起高的隧道效應電流，最終影響門極氧化層的可靠性。門極SiC層和SiO2層接觸面長期工作時存在離子遷移現象，溝道區域中的缺陷密度高，需要加大門極驅動電壓或者降低氧化層厚度來解決，但加大門極電壓以及降低氧化層厚度又導致可靠性壽命的問題。2015年英飛凌提出了一種垂直溝槽型的結構[1]，在不違反門極氧化層可靠性的條件下，更容易達到性能要求，如圖1所示。英飛凌針對碳化硅器件進行一系列HTGS等可靠性實驗[2]，表明這種架構的碳化硅器件在+15V/+18V柵極電壓和150℃環境下可以達到20年工作壽命，可以很有信心的進行大規模市場化推廣。

圖1：垂直溝槽 SiC MOSFET

同時，通過門極過電壓應力破壞性測試，可以看到英飛凌碳化硅器件具有非常高的魯棒性。在考慮門極可靠性的同時，英飛凌碳化硅MOSFET還具有下述優勢：

1）閾值電壓高，避免誤觸發

2）短路能力

3）dV/dt可控性

這些獨有的特性，使得英飛凌碳化硅MOSFET更容易被使用。

圖2：門極電壓過應力測試

碳化硅在充電樁應用中的優勢

目前業界常見的直流充電樁拓撲電路[5]如圖3所示，三相交流380V輸入電壓經過兩路維也納AC/DC電路并聯后，得到800V直流母線電壓，然后經過兩路全橋LLC DC/DC電路，輸出250V到950V（或750V）高壓給新能源汽車充電使用。其中維也納電路AC/DC的開關頻率40kHz左右，通常可以使用英飛凌600V的CoolMOS或者650V的TRENCHSTOP™ 5 H5/S5，驅動器可以使用英飛凌的EiceDRIVER™ 1ED/2ED 無磁芯隔離驅動器。由于整流二極管開關狀態下的損耗比較大，可以使用英飛凌的1200V CoolSiC™肖特基二極管20A，與之相對應的Si超快恢復整流二極管1200V 40A，同等條件下正向電流壓差Vf分別為1.4V和2.8V, 反向恢復能量Qrr分別為202nC和570nC, 從而可以大大地提高維也納PFC整流電路效率，整體效率可以提升0.5%左右。

圖3：直流充電樁拓撲電路

DC/DC全橋LLC部分，由于開關頻率可以達到300kHz，器件在軟開關下工作，所以效率比較高。原邊可以使用英飛凌的CFD7 CoolMOS和EiceDRIVER™ 1ED/2ED驅動器。副邊二極管整流損耗比較大，可以使用英飛凌650V或者1200V CoolSiC肖特基二極管來提升效率。

由于SiC MOSFET的高壓特性，其在1200V到1700V電壓區間具有很大的優勢，采用SiC MOSFET的DC/DC電路，可以從原來的三電平優化為兩電平LLC（如圖4所示）。這樣可以大大簡化拓撲電路，減少元器件的數量，控制和驅動更加簡單。同時，基于SiC MOSFET的高頻特性，可以提高LLC電路的開關頻率，從而減少磁性器件的尺寸和成本。由于LLC電路是軟開關工作模式，損耗集中在開關管的導通損耗上，利用平移數據手冊的圖表，可以近似得到英飛凌的SiC MOSFET IMW120R045M1和Si MOSFET管，在結溫100℃和Ids電流20A的條件下，Rds.on.Max分別為72.1mΩ和78.1mΩ，由于拓撲結構的原因，流過圖4中LLC SiC MOSFET的電流有效值是圖3中Si MOSFET電流的一半，所以最終導通損耗大大減小。整體而言，改善后的電路可以提升0.3%左右的效率。

圖4：推薦使用碳化硅MOSFET的充電樁模塊電路 1

同時，PFC整流維也納拓撲電路，也可以使用1200V的SiC MOSFET，從而變成三相全橋PFC整流（如圖5所示）。這樣將大大減少功率器件數量，簡化控制電路的復雜性。同時,也可以通過提高開關頻率來降低電感的感量，尺寸和成本。

圖5：推薦使用碳化硅MOSFET的充電樁模塊電路 2

每一個開關器件都需要一個驅動，英飛凌不僅可以提供SiC MOSFET，IGBT和CoolMOS等開關器件，還可以提供驅動這些開關器件的驅動IC。圖6是英飛凌無磁芯隔離驅動IC的原理圖，基于該原理的1EDI/1EDC/2EDI等驅動IC，廣泛應用在充電樁，UPS等應用領域，有著隔離，開關頻率高，抗干擾能力強，帶保護功能等特點，特別適合SiC MOSFET的驅動。

圖6：無磁芯隔離驅動IC的原理圖

基于碳化硅的30kW充電樁模塊設計

基于英飛凌碳化硅器件，設計了一款30kW的充電樁模塊，如圖7所示。

圖7：基于SiC的30kW充電樁模塊

輸入電壓280-460VAC，輸入總諧波失真（Total Harmonic Distortion THD）滿載條件下≤5 %，功率因數滿載下大于0.99。輸出電壓范圍300V-750V, 最大輸出功率30kW。最高效率可達96.5%。

模塊電路圖如圖8所示，PFC維也納電路采用了英飛凌的1200V肖特基SiC二極管IDWD20G120C5B和650V的IGBT IKW75N65EH5，驅動使用了1EDI40I12AH。全橋LLC部分采用了英飛凌的1200V SiC MOSFET IMW120R045M1和650V SiC肖特基二極管IDH20G65C6做整流，SiC MOSFET驅動使用了1EDI20I12AH。

圖8：30kW充電樁模塊電路拓撲

整機測試后最高輸出電壓750 V時的效率曲線如圖9所示。

圖9：30kW充電樁模塊效率曲線

該直流充電樁模塊由于采用模擬PFC控制，母線電壓不隨輸出直流電壓變化，輸出整流使用了650V SiC二極管，導致整機效率不夠理想。在下一階段的工作中，將改進設計，以求充分發揮SiC MOSFET的高效性能。

結束語

碳化硅器件作為第三代功率半導體，由于其高耐壓，高耐溫，開關速度快，損耗低和高可靠性等特點，非常適合充電樁模塊的應用工況，必將在充電樁模塊中得到快速的應用，碳化硅功率半導體器件的進步，將帶來充電樁電能轉換的巨大進步和技術突破。英飛凌在碳化硅技術上有十幾年的研發準備，將幫助充電樁模塊在下一代電力電子的升級換代中提供最佳的系統技術方案。

致謝

本文中實驗方案的制定和實驗數據的測量記錄工作是在上海亮訊信息科技有限公司的大力支持下完成的，在此向他們表示衷心的感謝。

參考文獻

[1] Dethard Peters, Thomas Basler, Bernd Zippelius, Infineon Technologies AG，CoolSiC Trench MOSFET Combining SiC Performance With Silicon Ruggedness，2017 PCIM Europe.

[2] Marc Buschkuhle, Infineon Technologies AG, 1200V CoolSiC™ MOSFET High Performance Complemented by High Reliability，Bode’s power systems, 64717,(05)2017.

[3] Fanny Björk，A SiC MOSFET for Mainstream Adoption，Bode’s power systems, 64717,(04)2018.

[4] 葉國駿，新能源汽車充電設施行業的現狀和發展趨勢 中外企業家，2019.

[5] 王長河，浙江工業大學碩士論文，直流充電樁電源模塊的研究和設計，2016.