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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(jì)中的一項(xiàng)基本功能。可再生能源的發(fā)展趨勢(shì)和電動(dòng)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(diǎn)介紹其中的一些動(dòng)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(gè)應(yīng)用：快速直流電動(dòng)汽車充電器，我們將討論典型充電器的工程挑戰(zhàn)和高級(jí)架構(gòu)，簡(jiǎn)要分析分立與模塊化方法設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)，之后會(huì)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(gè)非常廣泛的話題。無論對(duì)于電池供電的網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)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(yùn)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(dá)到數(shù)千瓦。功率轉(zhuǎn)換對(duì)于從一個(gè)電壓變換到另一個(gè)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(dòng)汽車充電器等，這些都需要將一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換為另一個(gè)電壓。盡管這些應(yīng)用實(shí)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(huì)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(xiàng)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(huì)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(cè)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(dá)到其熱和電子性能的極限，隨著全球?qū)δ茉葱实娜找嬷匾暎碌陌雽?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?cè)诟?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E5%BC%80%E5%85%B3/">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(diǎn)，包括熱導(dǎo)率提高了3倍，能帶隙增大了3倍。對(duì)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(dòng)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(shí)現(xiàn)體積更小的設(shè)計(jì)，這是空間受限的電動(dòng)汽車充電器和路旁充電基礎(chǔ)設(shè)施所需的一個(gè)特性。
隨著SiC工藝技術(shù)的成熟，更小的工藝節(jié)點(diǎn)能夠提供體積更小，且價(jià)格更具有競(jìng)爭(zhēng)力的MOSFET，進(jìn)一步加快市場(chǎng)的采用。
快速直流電動(dòng)汽車充電器的架構(gòu)探討
廣泛而隨時(shí)可用的充電基礎(chǔ)設(shè)施是電動(dòng)汽車增長(zhǎng)的關(guān)鍵因素。車載充電器提供了一種簡(jiǎn)單而緩慢的充電方法，可以在夜間通過家用電源為電動(dòng)汽車充電。為了實(shí)現(xiàn)更快速充電，直流充電器的運(yùn)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。快速直流充電器通常在20kW功率以上，預(yù)計(jì)充電時(shí)間為兩小時(shí)。更高功率容量充電站可以擴(kuò)展到350kW，并能夠?qū)⒊潆姇r(shí)間縮短到10分鐘以下。
負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)快速直流電動(dòng)汽車充電器的工程師面臨幾個(gè)開發(fā)限制。其中最重要的是，電動(dòng)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(yùn)行。另外，如果充電器在充電基礎(chǔ)設(shè)施有限的偏遠(yuǎn)地區(qū)出現(xiàn)故障，駕駛員可能會(huì)因此陷入困境，因而運(yùn)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(jì)目標(biāo)可能會(huì)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(dòng)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(jì)費(fèi)系統(tǒng)通信。在這些設(shè)計(jì)中物理空間總是非常重要，機(jī)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(gè)相關(guān)考慮因素是需要符合所在地區(qū)和國(guó)家電磁干擾（EMI）標(biāo)準(zhǔn)。
圖2所示為一個(gè)快速直流電動(dòng)汽車充電器的基本架構(gòu)，其中兩個(gè)主要組件是一個(gè)AC/DC三相功率因數(shù)校正（PFC）或有源前端（AFE）功能，以及一個(gè)高功率隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器。高功率充電站通常使用多個(gè)15kW至75kW的子單元來實(shí)現(xiàn)所需容量。
圖2：快速直流電動(dòng)汽車充電器的架構(gòu)。（來源：onsemi）
每個(gè)功能模塊可能以不同的拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)，例如，用于PFC升壓級(jí)的T中性點(diǎn)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(gè)典型電動(dòng)汽車充電器三相PFC升壓轉(zhuǎn)換器，其中采用了T-NPC拓?fù)渲械?200伏SiC MOSFET模塊。
圖3：一個(gè)采用T-NPC拓?fù)浼軜?gòu)的典型三相PFC級(jí)。（來源：onsemi）
對(duì)于DC/DC轉(zhuǎn)換器級(jí)，采用半橋SiC MOSFET模塊實(shí)現(xiàn)的雙有源橋拓?fù)浼軜?gòu)能夠提供緊湊而高效的布置。
SiC模塊能夠?yàn)殡妱?dòng)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(dòng)汽車充電器的PFC和DC/DC轉(zhuǎn)換器級(jí)，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(shì)，一個(gè)例子是onsemi NXH006P120MNF2PTG雙組SiC MOSFET模塊。該半橋模塊是將一個(gè)6mΩ RDS(on)，1200V MOSFET和一個(gè)熱敏電阻集成在一個(gè)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(dòng)汽車充電和工業(yè)電源等應(yīng)用。
圖5所示為一個(gè)25kW 電動(dòng)汽車充電器PFC和DC/DC轉(zhuǎn)換器級(jí)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(jí)和次級(jí)功率集成模塊（PIM），無需采用散熱器和強(qiáng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)汽車銷售的持續(xù)增長(zhǎng)，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(jìn)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(gè)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(chǎng)。
