破解電動(dòng)汽車充電難題，這款SiC功率模塊有絕招

EliteSiC功率集成模塊如何賦能電動(dòng)汽車充電設(shè)施？安森美電源解決方案事業(yè)部，工業(yè)電源部，副總裁兼總經(jīng)理Sravan Vanaparthy從產(chǎn)品性能、設(shè)計(jì)優(yōu)勢、核心應(yīng)用等角度展開了深入講解。

EliteSiC功率集成模塊系列有什么亮點(diǎn)？

安森美最新推出了用于電動(dòng)汽車充電站的最新EliteSiC 功率集成模塊系列，其中集成了最新一代碳化硅MOSFET "M3S"。該系列提供了九種不同的模塊選項(xiàng)，具有不同的導(dǎo)通電阻（RDS(on)）、封裝尺寸和配置，以滿足不同的終端市場需求。

產(chǎn)品的多樣性是一大亮點(diǎn)，以高速公路充電樁為例，其功率范圍在200至350千瓦之間，在此范圍內(nèi)，不同地區(qū)和終端市場基于系統(tǒng)需求，有著不同的功率需求和設(shè)計(jì)架構(gòu)。客戶可以選擇較小尺寸或具有較高漏極-源極導(dǎo)通電阻（RDS(on)）的模塊來設(shè)計(jì)30-40kW的中等功率機(jī)架，也可以選擇具有最低RDS(on)和最高密度的模塊來設(shè)計(jì)60-70kW功率的機(jī)架。

同時(shí)，該系列包括單向和雙向轉(zhuǎn)換選項(xiàng)，具體取決于功能需求和成本敏感性。所有這些模塊均可從400V、800V乃至1000V系統(tǒng)擴(kuò)展，以滿足從乘用車到車隊(duì)車輛的各種電池組需求。安森美的產(chǎn)品組合在輸出電壓方面具有靈活性，能夠滿足各種功率需求。

此外，所有模塊現(xiàn)在都已經(jīng)投入批量生產(chǎn)，客戶可通過安森美的網(wǎng)站訂購樣品。

M3S MOSFET的性能優(yōu)勢是什么？

M3S是安森美最新一代的MOSFET，專為高速開關(guān)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，其技術(shù)經(jīng)過優(yōu)化，開關(guān)損耗更低。一些充電應(yīng)用注重效率，而另一些則追求最佳的功率密度與成本比，因此，安森美團(tuán)隊(duì)對碳化硅技術(shù)和模塊進(jìn)行了優(yōu)化，以適應(yīng)各種終端應(yīng)用。

其中一個(gè)差異化因素是我們在設(shè)計(jì)模塊時(shí)考慮到了最終用途。例如，電動(dòng)汽車主驅(qū)電機(jī)需要較低的工作頻率、固定電感、短路能力和穩(wěn)健性等。而對于電動(dòng)汽車充電樁，我們需要將交流電轉(zhuǎn)換為可用的直流電來為電池充電。充電樁主要是一種電阻型負(fù)載，因此無需處理短路或雪崩的能力。我們根據(jù)終端應(yīng)用進(jìn)行權(quán)衡，重點(diǎn)關(guān)注功率損耗的優(yōu)化設(shè)計(jì)間。M3S系列由于其高頻特性，具有最小化的開關(guān)損耗。

最新一代MOSFET 在上一代（M2S）的基礎(chǔ)上，將RDS（on）降低了約15-20%。這使得充電站制造商能夠在使用與上一代產(chǎn)品相同模塊尺寸的情況下，提高其終端系統(tǒng)的功率密度。

碳化硅模塊正朝著尺寸更小、重量更輕的方向發(fā)展，對產(chǎn)品設(shè)計(jì)提出了什么挑戰(zhàn)？

采用最新一代M3S的碳化硅模塊系列，與基于IGBT的設(shè)計(jì)相比，體積減小了40%，重量減輕了52%。這主要得益于高功率密度碳化硅模塊，特別是針對大功率充電應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了尺寸、重量和功耗的顯著減少。由于其器件結(jié)構(gòu)和使用寬禁帶材料，它能以更高的效率工作，損耗更低。因此，客戶可以使用兩個(gè)風(fēng)扇來代替四個(gè)風(fēng)扇，并改用空氣冷卻來替代液冷。

此外，當(dāng)您提高器件或功率電路的頻率時(shí)，就可以使用更少的電感器和電容器等無源元件，從而節(jié)省了尺寸、重量和成本。

為什么雙向充電對于充電基礎(chǔ)設(shè)施如此必要？

電動(dòng)汽車的保有量持續(xù)增長，但該行業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施缺口巨大，尤其在超快充電站方面。

到2025 年，電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施需要增加四倍，到2030年需要增加八倍。政府的激勵(lì)措施和整車廠商的投資推動(dòng)了充電樁的推廣，但電網(wǎng)也需要做好準(zhǔn)備，這就是我們在集成的碳化硅模塊中提供雙向功能的原因。

一些客戶正在將雙向充電站設(shè)計(jì)為"分布式電網(wǎng)系統(tǒng)"，集太陽能、儲能和充電站于一體，通過自產(chǎn)和儲存部分能源以減少對電網(wǎng)的依賴。特別是利用非高峰時(shí)段儲存能源并在高峰時(shí)段使用能源，可以大大節(jié)省能源成本。雙向充電提高了充電站制造商的投資回報(bào)率。

充電站的應(yīng)用環(huán)境對EliteSiC功率集成模塊的可靠性提出了哪些要求？

鑒于模塊所處的惡劣環(huán)境，客戶對其長期可靠性的要求很高。根據(jù)充電站的位置和需求，其通常要比電動(dòng)汽車多一些負(fù)載循環(huán)次數(shù)。我們通過優(yōu)化布局寄生效應(yīng)來設(shè)計(jì)模塊，增加足夠的密度以匹配高水平的功率循環(huán)次數(shù)，從而支持電動(dòng)汽車充電樁實(shí)現(xiàn)更長的工作周期。任何停機(jī)時(shí)間都會給客戶帶來損失，因此，在碳化硅模塊的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和測試中，提高模塊的可靠性都是首要任務(wù)。在所有的設(shè)計(jì)和可靠性測試中，我們都超越了標(biāo)準(zhǔn)，并期望獲得長期性能。

設(shè)計(jì)工程師如何通過仿真提高效率？

分段線性電路仿真（PLECS）是一種靈活的模型自助生成工具，可供客戶和終端用戶在安森美的網(wǎng)站上使用，其便捷性得到可客戶好評。

這是一款用于設(shè)計(jì)大功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用的軟件，我們提供了所有模塊、碳化硅和IGBT分立產(chǎn)品系列的模型?？蛻艨梢蕴砑幼约旱男枨?，如輸入電壓、輸出負(fù)載、環(huán)境溫度、外部要求等，并選擇適合自己的模型。

設(shè)計(jì)工程師無需進(jìn)行硬件的反復(fù)試驗(yàn)和修改，只需登錄系統(tǒng)，根據(jù)溫度、負(fù)載分布等條件設(shè)定他們的擴(kuò)展需求，然后設(shè)計(jì)出合適的硬件產(chǎn)品，從而加快上市時(shí)間。

EliteSiC仿真工具中的自助仿真功能，允許客戶通過修改寄生電感和電阻來修改模型，以適應(yīng)其實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境，從而仿真更接近終端系統(tǒng)的更準(zhǔn)確的損耗。