2023年11月在意大利舉辦的Fortronic 2023活動上，Diotec Semiconductor的產品經理烏多·斯坦布魯納（Udo Steinebrunner）發表了題為“SiC和硅基組件在電動汽車充電電路中的應用”的演講。本文將分享Steinebrunner演講中涉及的話題。
DIOTEC SEMICONDUCTOR
是一家成立于1973年的歐洲功率半導體制造商，總部位于德國海特斯海姆。海特斯海姆位于德國西南部，靠近法國和瑞士邊界，是Diotec的總部、研發、晶圓、芯片制造、裝配和全球倉庫的所在地。Diotec在斯洛文尼亞設有第二家工廠，具有晶圓、芯片制造和裝配能力。其他全資擁有的工廠位于印度和中國。SiC基功率器件的優勢
想象一天有充足陽光，通過光伏電池板等可再生能源產生大量能源。當電動汽車停放并連接到充電系統時，可以利用這些能源有效地為電池充電。這種多余的能源，可能達到約80%，在駕駛員晚上回家時仍然可以保留。重新連接到電網時，這些能源可以返還到電網，為家庭活動提供電力，如照明或觀看電視。雙向充電確實是一個有價值的功能，硅碳化物器件在其效率方面發揮了重要作用。SiC提供的提高效率可以歸因于其對磁性元素的影響。
圖1 顯示基于硅的超快恢復二極管的開關損耗充電電池需要高電流，通常需要大型線圈。為了最小化體積，解決方案在于提高元件的開關頻率。挑戰在于保持充電系統的緊湊和簡化設計，避免過度臃腫。二極管
為了更好地理解為什么SiC具有優勢，讓我們來看一個傳統的基于硅的超快恢復二極管，如圖1所示。具體而言，ESW6004是一款60A 400V的快速恢復二極管，反向恢復時間為32納秒。圖1中紅色陰影區域表示從導通狀態到關斷（阻擋）狀態的過渡特性，決定了功率損耗。開關損耗可能是可觀的，并且隨著頻率的增加，這些損耗升高，導致器件產生過多的熱量。觀察SiC器件，比如SICW 40C120，一個40A 1,200V的SiC整流器，揭示了開關損耗幾乎是可以忽略的，雖然不是完全沒有。這在圖2中的小峰值中得以體現，與硅二極管相比，損耗顯著降低。這表明，特別是對于極高的開關速度和頻率，SiC器件是更優越的選擇。
圖2：SiC基二極管的開關損耗
觀察兩種二極管的正向電壓（VF）規格，我們可以看到SiC二極管的VF相對于硅二極管較高（2.0V，而不是1.4V），這是SiC的一個缺點。這意味著，在直流操作或低頻操作的情況下，尋找SiC二極管可能是不切實際的，因為傳統的硅器件是更好的選擇。在處理SiC MOSFET時，目標是以極高的頻率運行。在高頻率下，甚至微小的電感也會成為問題。這包括元件和封裝內的鍵合線，當處理非常高的電流和快速的開關速度時，可能會在零件激活過程中引起問題。
圖3：Kelvin源封裝對SiC MOSFET的優勢
這個挑戰的解決方案是Kelvin源MOSFET封裝，如圖3所示。這個封裝包含了用于驅動MOSFET的特殊源連接。通過將驅動路徑與功率路徑分離，優勢在于MOSFET可以更快地開啟，消除鍵合電感的影響。此外，更快的激活減少了錯誤開啟的風險。當零件關閉時，它會安全關閉。最終，在非常高的開關頻率下，特別是與傳統封裝配置相比，Kelvin源MOSFET被證明是一種更優越的器件。讓我們來看一個標準的電池充電器，比如許多家庭中常見的壁式充電器。盡管壁式充電器的名義額定功率為3千瓦，但典型功耗為1千瓦。壁式充電器的關鍵組件之一是橋式整流器。在使用GBU10K元件的1千瓦充電器中，它從電網吸取約4安培的電流。由于每個半波只有兩個二極管導通，每個二極管的電壓降為0.98伏，計算顯示橋式整流器中的功耗為7.8瓦。Diotec推出了一款新型橋式整流器，即GBU10K-LV，其VF更低，為0.87伏。重新計算后，橋式整流器的總功耗降至6.7瓦。考慮到這種壁式充電器在家庭中的廣泛使用，目前全球市場總量約為1.2億臺。假設其中有10%的壁式充電器采用了新的低功耗橋式整流器，我們的計算顯示，僅通過采用不同的橋式整流器，全球可能實現約5800萬千瓦時的潛在能源節約。這是一個相當令人印象深刻的結果，而我們僅僅談論的是一個單獨的整流器橋。
電動汽車不僅具有高容量、高電壓的主電池，還有一個用于為輔助系統供電的常規12V電池，如信息娛樂系統顯示、燈光、雨刮器等。該電池還用于啟動和關閉汽車時連接和斷開高電壓系統的開關。因此，電動汽車可以使用常規電纜啟動燃油發動機汽車，反之亦然。
在啟動過程中，存在一個潛在的“負載轉峰”現象，它涉及在斷開電池連接時，發電機仍連接時產生瞬態電壓尖峰。這個電壓峰值可能達到約100V，使車輛的電子設備面臨風險。因此，每輛電動汽車必須配備負載轉峰保護。
負載轉峰保護二極管通常將這個電壓峰值限制在約35V左右，這在車輛電子設備的可接受范圍內。Diotec提供負載竄改保護器件，包括LDP01，其峰值脈沖功率能力為4.6kW，LDP02（5kW）和LDP03（6.6kW），目前處于開發階段。所有這些組件采用工業標準的TO-263AB封裝，而市場上大多數設備都采用DO-218封裝。TO-263AB封裝有大規模生產的優勢，從而大大降低了成本。當我們談到負載轉峰保護器件時，必須介紹一個類似的項目：靜電放電（ESD）保護。在冬季，空氣干燥時，如果我們觸摸車門把手，可能會被電擊到。對于人類來說，這不是問題；只是一點小震動。然而，對于電子設備而言，這可能是一個嚴重的問題，因為這種ESD可能會損壞電子設備。在充電電纜方面，我們必須觸摸它，這有可能對電動汽車充電系統的電子設備產生ESD放電的風險，這必須避免。?Diotec提供了兩種帶有集成ESD保護的組件。MMFTN620KD-AQ是帶有集成門保護二極管的雙MOSFET。在發生ESD事件時，設備不會受到損壞。ESDALC208是一個ESD陣列，可用于保護信號和數據線免受ESD影響。在電動汽車充電電子設備中使用這些組件，以避免ESD引起的損壞。*免責聲明：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，碳化硅芯觀察轉載僅為了傳達觀點，僅代表碳化硅芯觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯系碳化硅芯觀察。
