世平安森美半導體 SiC技術，讓汽車也可以充電5分鐘、續航兩小時

新能源汽車發展的兩個主要課題：縮短充電時間和提升動力電池電壓。

新能源汽車的OBC結構是PFC加上DC-DC，PFC負責高效率的把交流電轉換直流電，DC-DC提升直流電壓，然後給動力電池充電；OBC同時支持AC和DC兩種充電方式。

圖表 1車載OBC結構

DC充電，通過EV充電站的高壓大電流充電方式，可以實現50kW的快速充電，充電時間需要30分鐘~60分鐘。

AC交流充電，主流方案支持3.3kW、6.6KW、11kW的功率；

對於車載充電而言，單相OBC受交流電進線電流限制，PFC輸出直流電壓400V以下，功率最大能做到6.6kW，充電時間再4個小時左右，選擇650V、20A的開關管即可，使用普通的矽基MOSFET性價比最合適。

圖表 2 單相電充電PFC

採用三相輸入的模式，輸入電壓由單相220V AC變成三相380V AC後，可以將功率提升到11kW，PFC電輸出級的電壓會相應提高到550V左右，如果採用兩電平拓撲結構，650V的MOSFET餘量不足，已經無法滿足要求，需要選用900V/1200V的開關管器件；而採用三電平的拓撲結構，可以降低輸出電壓，和對器件的要求，但需要翻倍增加功率器件數量，逆變器每一相需要4個IGBT開關管、4個續流二極體、2個相位二極體;導通損耗Econ和開關損耗Esw ，IGBT性能不如SiC。

圖表 3 三相電PFC

900V及以上規格Si MOSFET產品成本較高，性能上與碳化矽MOSFET的差距比650V的器件更大，因此900V/1200V碳化矽MOSFET在三相11kW OBC中有著廣闊的應用前景。各車載電源廠家已經陸續開始開發三相11kW OBC，首選方案均考慮使用碳化矽MOSFET作為DC/DC輸入級開關管，可以預見，未來三相11kW OBC將會成為碳化矽MOSFET的主要應用場景之一。提高電池電壓，也可以縮短直流充電時間。要求OBC後級輸出電壓升高，配合目前OBC從單向到雙向的發展趨勢，DC/DC次級器件也需要從目前的650V二極體轉變成900V/1200V的開關管。

為什麼選擇SiC？

PFC主要功率器件，包括升壓二極體和開關MOS管

1. 當開關MOS管打開關閉時，矽二極體會有反向恢復電流，肖特基二極體可以有很小的反向恢復電流，但是耐壓不到300V；
2. SiC肖特基二極體，既有肖特基二極體的快速恢復特性，又有SiC的耐高壓特性；碳化矽肖特基二極體（SiCSBD）是一種單極型器件，採用結勢壘肖特基二極體結構（JBS），因此相比於傳統的矽快恢復二極體（SiFRD），碳化矽肖特基二極體具有理想的反向恢復特性。可以有效降低反向漏電流，具備更好的耐高壓能力。另一個重要的特點是碳化矽肖特基二極體具有正的溫度係數，隨著溫度的上升電阻也逐漸上升，這與矽FRD正好相反。這使得碳化矽肖特基二極體非常適合併聯實用，增加了系統的安全性和可靠性。在器件從正嚮導通向反向阻斷轉換時，幾乎沒有反向恢復電流，反向恢復時間小於20ns，甚至600V10A的碳化矽肖特基二極體的反向恢復時間在10ns以內。因此碳化矽肖特基二極體可以工作在更高的頻率，在相同頻率下具有更高的效率。
3. SiC MOSFET 的最大特點是原理上不會產生如IGBT中經常見到的尾電流。SiC 即使在1200V 以上的耐壓值時也可以採用快速的MOSFET 結構，所以，與IGBT 相比，Turn‐off 損耗(Eoff)可以減少約90%，有利於電路的節能和散熱設備的簡化、小型化。而且，IGBT 的尾電流會隨著溫度的升高而增大，而SiC‐MOSFET 幾乎不受溫度的影響。另外，由於較大的開關損耗引起的發熱會致使結點溫度(Tj)超過額定值，所以IGBT 通常不能在20KHz 以上的高頻區域內使用，但SiC MOSFET 由於Eoff 很小，所以可以進行50KHz 以上的高頻開關動作。通過高頻化，可以使濾波器等被動器件小型化。

 

ONsemi SiC產品的RoadMap

 

圖表 4 ONsemi SiC 歷史

2004年 TranSiC公司成立，2011年Fairchild收購TranSic，2016年ONsemi收購Fairchild。

2015年Fairchild推出第一代1200V SiC Diode，到2020年ONsemi已經陸續完善了650V、900V、1200V、1700V的SiC Diode和MOSFET產品線；

2021年4月最新消息，ONsemi歐洲的團隊，正在基於SiC模塊，開發25kW功率的直流快速充電器，能夠為使用400V和800V的電動汽車電池充電，輸入支持歐洲AC 400V美國AC 480V的三相電，Power Stage支持在500V到1000V電壓範圍內傳輸25kW的功率，輸出電流被限制在50A以下；通信接口使用CAN，USB和UART。

多個25kW充電器堆疊在一起，組成一個充電櫃。

系統的開發進展將會從從定義需求開始，然後是可行性研究、軟體模擬仿真和硬體功能驗證和測試；

整個方案將會包括三相PFC整流、全橋DC-DC，控制算法、調製方案及反饋、SiC電源驅動系統、800V總線輔助電源單元、熱管理。

 

ONsemi的SiC產品介紹請參考官網：

ONsemi SiC 二極體：

https://www.onsemi.com/products/wide-bandgap/silicon-carbide-sic-diodes

ONsemi SiC MOSFET：

https://www.onsemi.com/products/wide-bandgap/silicon-carbide-sic-mosfets