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近年來，充電時長已經(jīng)成為影響新能源汽車駕駛體驗的關(guān)鍵因素，市場對提高車輛充電速度的需求變得越來越迫切。高電壓和大電流都可縮短充電時間，但考慮到銅線損耗的因素，高壓大功率比大電流方案更有效率。而要提升充電速度，必然要關(guān)注大功率充電，在不提高整車電壓平臺的條件下，必須增大充電電流，但這樣也會導致端子、線纜的發(fā)熱量增加，繼而溫度升高。持續(xù)高溫容易損害充電裝置，嚴重的還會引發(fā)安全事故，為避免這種情況，必須將充電槍端子及線纜的發(fā)熱量及溫升降低，常用的方法就是增大導體截面積。然而增大導體截面積后會增加線纜的重量，用戶使用會很不方便。考慮到充電槍的電流約束，最適合的辦法是通過提升電壓平臺實現(xiàn)大功率充電。
圖1 高壓快充架構(gòu)下電池系統(tǒng)成本與低壓大電流架構(gòu)的對比
目前主流車企均在布局高壓快充車型，預(yù)計2026年800伏以上高壓車型銷量將過半，但我國適配高壓快充的高壓充電樁數(shù)量不足。為此，主流車企和充電運營商正加快研發(fā)推出大功率快充樁，亟需更耐高壓、耐高溫、更小型化的新型功率器件，以滿足充電設(shè)備對效率和安全的更高要求。
作為第三代半導體材料，碳化硅具有寬禁帶、高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率等優(yōu)異特性。與傳統(tǒng)硅材料比較，碳化硅器件能有效滿足充電樁設(shè)備耐高壓、耐高溫、更小型化新型器件的需求，幫助實現(xiàn)新能源汽車快速充電的目標。此外，碳化硅還能提高單位功率密度，減小模塊體積并簡化電路設(shè)計，對降低充電樁成本起到重要作用。
圖2 傳統(tǒng)硅功率器件單向充電樁方案
圖3 碳化硅功率器件雙向充電樁方案
傳統(tǒng)硅方案充電樁模塊電源中，DC/DC拓撲采用650V硅基超結(jié)MOSFET組成兩個全橋串聯(lián)的LLC，使用1200V碳化硅MOSFET以后，系統(tǒng)可以簡化為一個LLC諧振回路，器件數(shù)量大幅度減少，有利于提升系統(tǒng)可靠性。尤其是關(guān)斷損耗更小的碳化硅MOSFET，更適合充電樁電源模塊DC/DC部分的LLC/移相全橋等電路拓撲。
同時，1200V/40mΩ碳化硅MOSFET分立器件在風光儲充、車載充電、汽車空調(diào)等領(lǐng)域的電源模塊上被廣泛應(yīng)用，規(guī)模優(yōu)勢使碳化硅MOSFET成本進一步降低，使得用1200V碳化硅MOSFET的系統(tǒng)成本比使用650V硅基超結(jié)MOSFET的更低，產(chǎn)品更具有競爭力。
圖4 基本半導體1200V碳化硅MOSFET
此外，大功率（50kW~60kW）的充電模塊功率密度高，體積有限，如果采用分立器件，并聯(lián)數(shù)量會很多，給均流、安裝和散熱帶來了非常高的挑戰(zhàn)，而采用碳化硅 MOSFET模塊方案，則可以很好地解決上述問題。
圖5 基本半導體1200V碳化硅MOSFET E2B半橋模塊在充電樁中的應(yīng)用
基本半導體PcoreTM2 E2B 全碳化硅半橋MOSFET模塊BMF240R120E2G3基于高性能晶圓平臺設(shè)計，在比導通電阻、開關(guān)損耗、抗誤導通、可靠性等方面表現(xiàn)出色。高溫(Tvj=150℃)下的RDS(on)參數(shù)僅比常溫(Tvj=25℃)時增加1.4倍左右。產(chǎn)品內(nèi)置碳化硅肖特基二極管，使得續(xù)流二極管基本沒有反向恢復(fù)行為，大幅降低模塊的開通損耗。產(chǎn)品還引入氮化硅(Si3N4)AMB陶瓷基板及高溫焊料，可改善長期高溫度沖擊循環(huán)的CTE失配，陶瓷板的可靠性大幅提升。
圖6 PcoreTM2 E2B 全碳化硅半橋MOSFET模塊BMF240R120E2G3
在高壓快充的大背景下，以基本半導體為代表的碳化硅功率器件企業(yè)將不斷加大研發(fā)力度，確保先進技術(shù)能緊跟行業(yè)趨勢和市場需求，為充電樁設(shè)備制造企業(yè)提供更高性能的碳化硅功率器件。隨著新能源汽車、光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，碳化硅器件在電力設(shè)備行業(yè)中還將有更廣泛的應(yīng)用，其市場規(guī)模還有巨大的成長空間，預(yù)計碳化硅功率器件在光伏逆變器的滲透率將從 2020年的10%增長至 2048年的85%。