在國家環(huán)保政策的激勵下，電動汽車正日益普及。中國是世界最大的汽車市場。據(jù)Goldman Sachs報道，2016年中國電動汽車占全世界電動汽車的45%, 這一百分比到2030年可能升至60%。根據(jù)中國的“一車一樁”計劃，電動汽車充電樁總數(shù)在2020年將達(dá)480萬個，與現(xiàn)有的接近50萬個相比，未來2年多內(nèi)將安裝430萬個，其中將至少有200萬個是大功率直流充電樁。安森美半導(dǎo)體是嶄露頭角的電動汽車/混合動力汽車半導(dǎo)體領(lǐng)袖，緊跟市場趨勢，提供全面的高性能方案，包括超級結(jié)SuperFET? III MOSFET、碳化硅(SiC)二極管、IGBT、隔離型門極驅(qū)動器、電流檢測放大器、快恢復(fù)二極管，滿足電動汽車充電樁市場需求并推動創(chuàng)新。
電動汽車充電樁基礎(chǔ)知識及市場趨勢
電動汽車充電樁分為交流充電樁和直流充電樁。電網(wǎng)中的交流電通過交流充電樁直接給車載充電器(OBC)供電，OBC 把AC轉(zhuǎn)換成DC，然后通過配電箱為車內(nèi)的動力電池充電。直流充電樁則包含許多AC-DC電源模塊。
目前電動汽車電池容量基本在20至90 KWH，續(xù)航里程為200至500 km，充電方式從3c到10c。續(xù)航里程是目前電動汽車不及傳統(tǒng)燃油汽車受歡迎的一個原因，要想增加續(xù)航里程，需提升電池容量密度。另外，車主希望充電時間更短，快充技術(shù)的支持必不可少。充電樁的功率目前在60 KW到90 KW，未來將發(fā)展到150 KW到240 KW甚至更高以縮短充電時間。而電動汽車電源模塊的功率目前在15 KW、20 KW、30 KW，未來會發(fā)展到40 KW、50 KW、60 KW甚至更高。從目前充電樁市場的狀況來看，有3大趨勢：寬范圍的恒定功率、寬范圍的輸出電壓、更高功率的模塊。
電動汽車充電樁電源模塊框圖
典型的電動汽車充電樁電源模塊框圖以及安森美半導(dǎo)體相應(yīng)的產(chǎn)品如圖1所示。
圖1：典型的電動汽車充電樁電源模塊框圖
SuperFET? III MOSFET 實現(xiàn)高功率密度
安森美半導(dǎo)體具有寬廣的超級結(jié)MOSFET(SuperFET)產(chǎn)品陣容，新一代SuperFET? III較SuperFET? II減小達(dá)40%的Rds(on)，在應(yīng)用于大功率應(yīng)用中可減小并聯(lián)FET數(shù)，實現(xiàn)更高功率密度。SuperFET? III有3種版本：FAST版本、Easy Drive版本和FRFET版本，分別針對不同的設(shè)計需求。
FAST版本用于硬開關(guān)拓?fù)洌峁└吣苄Ш蜏p小Qg和Eoss。Easy Drive版本用于硬/軟開關(guān)，易驅(qū)動，實現(xiàn)低EMI和電壓尖峰，優(yōu)化內(nèi)部Rg和電容。FRFET版本用于軟開關(guān)拓?fù)洌〉腝rr和Trr實現(xiàn)更高的系統(tǒng)可靠性。
表1：650V SuperFET? III Easy Drive器件
表2：650V SuperFET?III FRFET器件
SiC二極管具有卓越的強(qiáng)固性及競爭性能
隨著充電樁功率的提升，由于SiC 提供比硅更低的開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，大多功率器件將轉(zhuǎn)向SiC二極管及FET。安森美半導(dǎo)體已推出650 V和1200 V SiC二極管，并即將發(fā)布 1200 V SiC MOSFET。其SiC二極管在寬溫度范圍具有比最好的競爭器件更低的VF，雪崩能量大，浪涌電流額定值大，從而提供卓越的強(qiáng)固性。
表3：650 V SiC二極管
表4：1200 V SiC二極管
各種不同IGBT系列涵蓋所有應(yīng)用
安森美半導(dǎo)體為推動電動汽車充電樁創(chuàng)新，推出第四代場截止(FS4) 650 V IGBT和超高速(UFS) 1200 V IGBT。FS4 650 V IGBT提供業(yè)界最低的飽和壓降VCE(sat)和最低的關(guān)斷損耗EOFF，UFS 1200 V IGBT擁有行業(yè)內(nèi)最低的開關(guān)損耗Ets和VCE(sat) ，各種不同系列涵蓋所有應(yīng)用，同類最佳的性能提供出色的系統(tǒng)能效及可靠性。
隔離型門極驅(qū)動器
目前在充電樁的設(shè)計中，數(shù)字芯片用得很多，數(shù)字芯片是低壓側(cè)，而功率部分是高壓側(cè)，兩者間需要有隔離并需帶有驅(qū)動能力。
安森美半導(dǎo)體的高壓門極驅(qū)動器具有比競爭器件更低的開通損耗Eon、關(guān)斷損耗Eoff、導(dǎo)通損耗Econ，或飽和壓降VCE(sat) ，集成DESAT、米勒鉗位、欠壓鎖定、熱關(guān)斷等豐富的保護(hù)特性，且不同單體之間的脈寬失真和延遲變化很小，還提供靈活、高集成度、低成本等諸多優(yōu)勢。IGBT門極驅(qū)動器在米勒平坦區(qū)提供大電流驅(qū)動，同時提供最低的VOH/VOL。
除了高壓門極驅(qū)動器，安森美半導(dǎo)體還提供一系列光隔離門極驅(qū)動器和高速光隔離器，廣泛用于充電樁的信號傳輸電路中。
電流檢測放大器
電流檢測放大器主要用于充電樁的輸入輸出電流檢測及內(nèi)部拓?fù)涞碾娏鞑蓸樱峁┯兄趯崿F(xiàn)系統(tǒng)中安全和診斷功能的關(guān)鍵信息。安森美半導(dǎo)體提供集成外部增益設(shè)置電阻的電流檢測放大器用于低壓電流檢測，如NCSx333零漂移運算放大器提供高精度的方案，NCS200xx 低功耗運算放大器提供具性價比的方案。集成內(nèi)部增益設(shè)置電阻的NCS21x零漂移電流檢測放大器，提供高集成度、高精度和高能效優(yōu)勢。
快恢復(fù)二極管
快恢復(fù)二極管主要有UltraFast II、HyperFast II、Stealth II二極管、FS III二極管。UltraFast II具有低VF(<1.5 V)，trr<100 ns，用于電源輸出整流、汽車升壓器及適配器和顯示器。HyperFast II具有快速trr(<35 ns)，用于PFC、續(xù)流二極管、光伏(PV)逆變器、不間斷電源(UPS)。Stealth II二極管具有軟恢復(fù)的S因子，提供出色的EMI性能和更好的電壓尖峰，trr<30 ns，用于PFC、PV逆變器及UPS。FS III二極管具有軟恢復(fù)的S因子，trr<35 ns，用于輸出整流、續(xù)流二極管、PV逆變器及UPS。
其它器件
此外，安森美半導(dǎo)體還提供各種IPM/SPM、功率集成模塊(PIM)、T6和T8 MOSFET、PTNG 100 V MOSFET、有源鉗位反激控制器、多模PFC、LLC同步整流、電池管理系統(tǒng)ASSP、PLC方案等，并即將發(fā)布寬禁帶(WBG)驅(qū)動器，推動充電樁創(chuàng)新。
IPM/SPM與分立方案相比，在減少占板空間、提升系統(tǒng)可靠性、簡化設(shè)計和加速產(chǎn)品上市等方面都具有無可比擬的優(yōu)勢。隨著充電樁功率的提升，PIM將是發(fā)展趨勢，實現(xiàn)更高功率密度，先進(jìn)的封裝提供極佳散熱性。T6 40V MOSFET 有業(yè)界最低的RDS(on)。PTNG 100 V MOSFET與競爭器件有相似的RDS(on)，但減少50% 的Qrr。有源鉗位反激控制器用于設(shè)計高能效、高功率密度的電源。WBG驅(qū)動器可驅(qū)動SiC或氮化鎵(GaN)。
總結(jié)
在政府政策的引導(dǎo)下，電動汽車市場蓬勃發(fā)展。隨著電動汽車的數(shù)量增長，充電樁的數(shù)量也隨之迅速增長。安森美半導(dǎo)體是嶄露頭角的電動汽車/混合動力汽車半導(dǎo)體領(lǐng)袖，并憑借在功率器件和模塊領(lǐng)域的專知，提供SuperFET? III MOSFET、SiC diode、IGBT、隔離型門極驅(qū)動器、運算放大器、快恢復(fù)二極管、IPM、PIM等廣泛的高性能產(chǎn)品，為充電樁的設(shè)計提供強(qiáng)有力支持，并持續(xù)開發(fā)更高功率的方案，助力實現(xiàn)電動汽車更快充電、更長的續(xù)航里程。