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直流充电桩中“快准稳”的SiC器件
  发布时间:2017-11-09   
   根据对电动汽车的充电方式,充电桩可分为交流充电桩和直流充电桩两大类。直流充电桩具备直接给电池充电的能力,以三相四线制的方式连接电网,能够提供充足的电力,输出的电压和电流调整范围大,俗称“快充”。随着欧洲和美国开始计划进一步提高直流快充能力(350kW快速充电站)。安装超级充电桩是电动汽车行业的一大进步,这个新的标准将会进一步打开电动汽车市场,也更加有利于电动汽车的进一步普及。充电技术的提升需要与电池技术共进,相对于更高电压的充电桩技术。以欧洲的几家车企为例,车企自身需要大力推动直流快充基础设施的发展:

  ž四家公司将在欧洲部署超快速充电站,2017年首先在400个地方设置充电站,在2020年之前将设置范围扩大至欧洲的数千处。

  ž四家公司预期将向超快速充电网络设施投入大量建设资金,设立建设基础设施的合资公司。

  ž为了确立无论哪种电动汽车品牌均可便捷使用的充电站,四家公司还将推动其他汽车厂商加入

  随着这个市场的不断演进,直流充电桩的整个电压平台都会有变化。

 

  图示1-通往350kW直流充电

  第一部分:直流充电桩的需求

  直流充电系统是一个整体,是把交流功率系统转化成直流的装置。目前400V的充电桩一般应用在乘用车上,500~700V的应用在大巴车上,整体核心的是充电电源模块,完成AC=>DC的电压和能量转换。随着快速充电的需求不断增加,整个电压平台都会向800~1000V进行提升。

  现在不少的快速充电解决方案提供150千瓦、300千瓦和450千瓦不同规格的充电功率。无需单独设立充电站,公交车在停靠终点站时仅需4~6分钟即可通过车顶自动连接装置完成快速充电,在满足线路行驶的用电需求的同时,也使公交车能够安装更小、更轻便的电池组,从而减轻自重,同时提高乘客运输能力。

 

  图示2-大巴的固定直流充电的设施

 

  图示3-大巴顶端直流充电

  第二部分:直流充电的功率模块与SiC器件的应用

  从充电电源模块而言,分为整流、PFC、DC/DC变压几个部分,有1~2独立的控制器整流和变压部分,如下图所示。以下蓝色的部分为罗姆可以提供的一些器件。

 

  图示4-充电机系统的核心部件概览

  AC/DC电路可采用三相交流电输入, AC/DC转换可采用全波整流加PFC升压电路的拓扑结构,也可采用两路PFC升压电路交错并联来提高开关频率和增加功率。影响AC/DC转换的体积、效率和散热等特性,主要的关键因素是PFC电路的开关频率及器件特性。

  SiC-SBD:罗姆不断改善元器件工艺,随着产品的更新换代,实现了低VF。开发出使用SiC的SBD(肖特基势垒二极管),最适合PFC(Power FactorCorrection)电路及逆变器用途。实现了Si-FRD(Fast Recovery Diodes)难以实现的极短的反向恢复时间(trr),使得高速开关成为可能。由于反向恢复电荷量(Qrr)小,为降低开关损耗和设备小型化做出贡献。

  DC/DC电路现在用的比较多的是LLC串联谐振全桥电路拓扑结构。LLC电路的开关频率及器件特性也会影响DC/DC转换的体积、效率和散热这些特性。

 

  图示5- LLC串联谐振全桥电路拓扑结构

  选择功率开关管和功率二极管的主要器件特性包括:

  ž导通损耗(或导通电阻)

  ž开关损耗

  ž反向漏电流和反向恢复时间

  ž反向耐压

  ž温度特性

  功率开关管和功率二极管的导通损耗和开关损耗越小、反向漏电流和反向恢复时间越小,开关频率就可以做的越高,反向耐压越高,工作电压选择就可越高,功率效率也就越高。

  SiC mosFET同时实现Si元器件做不到的高速开关和低导通电阻,即使在高温条件下也能显示优异的电气特性。为大幅降低开关损耗和周边元器件的小型化做出贡献。简单来说,基于碳化硅的功率器件特别适合高频、高压和高温的工作环境,车载充电机选用基于碳化硅的功率器件是非常好的选择。

 

  图示6- SiCMOSFET特性

 

  图示-7 SiCMOSFET在PFC电路内的应用

  小结:在充电技术不断迭代更新的产业环境及市场需求下,使用SiC器件是在未来快速充电领域占据前瞻市场地位的必经之路。

  本文转自罗姆半导体集团,如有侵权,请及时联系我们。

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