使用 SiC 實(shí)現(xiàn)更快的 EV 充電

電動(dòng)汽車仍有許多挑戰(zhàn)需要克服。電池生產(chǎn)、回收和發(fā)電等全球環(huán)境問題與成本、電池容量和充電基礎(chǔ)設(shè)施等個(gè)別和實(shí)際問題交織在一起。最先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)至少有助于解決部分問題。

碳化硅 (SiC) 長期以來一直用作半導(dǎo)體材料。SiC 作為無線電檢測二極管于 1906 年首次獲得專利，通常用于海軍接收技術(shù)。同樣，第一批商用 LED 也是基于 SiC，這種材料因制造黃色和藍(lán)色 LED 而聞名。由于制造上的困難，其在電力電子領(lǐng)域的應(yīng)用近20年才出現(xiàn)。

事實(shí)證明，消除晶體缺陷是 SiC 發(fā)展的主要障礙。刃型位錯(cuò)、螺型位錯(cuò)、三角缺陷和基面位錯(cuò)最初導(dǎo)致由 SiC 晶體制成的器件的反向阻斷性能較差。除了晶體質(zhì)量外，SiC 與二氧化硅的界面問題也阻礙了基于 SiC 的功率 MOSFET 和絕緣柵雙極晶體管的發(fā)展。只有仍然知之甚少的滲氮才顯著減少了導(dǎo)致界面問題的缺陷。這為 2008 年以后的 JFET、MOSFET 和肖特基二極管掃清了道路。SiC作為一種半導(dǎo)體材料，在速度、高溫、高壓等方面具有很大的優(yōu)勢。

這正是惡劣的汽車環(huán)境所需要的。電動(dòng)汽車使用容量高達(dá) 100kWh 的電池，目標(biāo)是在盡可能短的時(shí)間內(nèi)為電池充電。使用公共充電站為電動(dòng)汽車 (EV) 充電比為化石燃料汽車加油需要更長的時(shí)間。車輛充電的速度取決于充電站的充電速度和車輛接受充電的能力。將可進(jìn)行快速充電的車輛連接到充電率非常高的充電站，可在 15 分鐘內(nèi)將車輛電池充滿 80%。充電速度較慢的車輛和充電站可能需要長達(dá)一個(gè)小時(shí)才能將電池充滿 80%。和手機(jī)一樣，

交流 (AC) 充電站將車輛的車載充電電路直接連接到交流電源。AC Level 1 直接連接到 120V 住宅插座，能夠提供 12A 至 16A（1.4kW 至 1.92kW）的電流，具體取決于專用電路的容量。AC Level 2 使用 240V 住宅或 208V 商用電源提供 6A 至 80A（1.4kW 至 19.2kW）之間的電流。

在直流 (DC) 快速充電中，電網(wǎng)電力在到達(dá)車輛電池之前通過 AC/DC 逆變器，繞過車載充電電路。DC Level 1 在 50V-1000V 時(shí)提供最大 80kW 的功率，DC Level 2 在 50V-1000V 時(shí)提供最大 400kW 的功率。大型商用車標(biāo)準(zhǔn)正在制定中，理論最大功率為4.5MW。

二極管、MOSFET 和驅(qū)動(dòng)器是此類大功率充電電路的主要組件。ON Semiconductor 的寬帶隙 SiC 器件組合具有更高的開關(guān)速度和更低的功率損耗，可為現(xiàn)代解決方案的每個(gè)部分提供合適的組件。通過實(shí)施電隔離的大電流柵極驅(qū)動(dòng)器，可以減少對(duì)保護(hù)電路的需求 。

On Semiconductor 的 NCx57200 是一款高壓柵極驅(qū)動(dòng)器，具有一個(gè)非隔離式低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)電流隔離式高側(cè)或低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器。這些器件可以直接驅(qū)動(dòng)半橋配置中的兩個(gè)絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)。高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器的電流隔離可確保 IGBT 在高 dv/dt 下工作電壓高達(dá) 800V 的高功率應(yīng)用中的可靠開關(guān)。優(yōu)化的輸出級(jí)提供了一種降低 IGBT 損耗的方法。這些特性包括兩個(gè)帶死區(qū)時(shí)間和互鎖的獨(dú)立輸入、準(zhǔn)確的非對(duì)稱欠壓閉鎖 (UVLO) 以及短且匹配的傳播延遲。帶寬范圍為 270kHz 至 3MHz，典型IQ為 17μA 至 405μA 的運(yùn)算放大器可在充電網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)安全感測電路。

但是，電路保護(hù)仍然是必要的。符合 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)的：NCID9211 雙通道數(shù)字隔離器具有高絕緣性和高抗噪性，其特點(diǎn)是高共模抑制（最低 100KV/s）和電源抑制。正如 ON Semiconductor 的保護(hù)和小信號(hào)分立器件所展示的那樣，保險(xiǎn)絲和濾波器負(fù)責(zé)其余的工作。

結(jié)論

ON Semiconductor 付出了額外的努力來解決前面提到的與 SiC 相關(guān)的一些挑戰(zhàn)，例如晶體缺陷或柵極氧化層可靠性。通過在制造過程中增加額外的質(zhì)量控制步驟，如晶圓篩選或老化測試，可以更好地過濾 SiC 中的固有晶體缺陷。此外，SiC MOSFET 中增強(qiáng)的柵極氧化物可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)負(fù)柵極偏置，而不會(huì)導(dǎo)致 R DS(ON)或 Vth 漂移。結(jié)果是可靠的 SiC 器件可以用于最具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用，例如 EV 充電。