世平安森美半导体 SiC技术，让汽车也可以充电5分钟、续航两小时

新能源汽车发展的两个主要课题：缩短充电时间和提升动力电池电压。

新能源汽车的OBC结构是PFC加上DC-DC，PFC负责高效率的把交流电转换直流电，DC-DC提升直流电压，然后给动力电池充电；OBC同时支持AC和DC两种充电方式。

图表 1车载OBC结构

DC充电，通过EV充电站的高压大电流充电方式，可以实现50kW的快速充电，充电时间需要30分钟~60分钟。

AC交流充电，主流方案支持3.3kW、6.6KW、11kW的功率；

对于车载充电而言，单相OBC受交流电进线电流限制，PFC输出直流电压400V以下，功率最大能做到6.6kW，充电时间再4个小时左右，选择650V、20A的开关管即可，使用普通的硅基MOSFET性价比最合适。

图表 2 单相电充电PFC

采用三相输入的模式，输入电压由单相220V AC变成三相380V AC后，可以将功率提升到11kW，PFC电输出级的电压会相应提高到550V左右，如果采用两电平拓扑结构，650V的MOSFET余量不足，已经无法满足要求，需要选用900V/1200V的开关管器件；而采用三电平的拓扑结构，可以降低输出电压，和对器件的要求，但需要翻倍增加功率器件数量，逆变器每一相需要4个IGBT开关管、4个续流二极管、2个相位二极管;导通损耗Econ和开关损耗Esw ，IGBT性能不如SiC。

图表 3 三相电PFC

900V及以上规格Si MOSFET产品成本较高，性能上与碳化硅MOSFET的差距比650V的器件更大，因此900V/1200V碳化硅MOSFET在三相11kW OBC中有着广阔的应用前景。各车载电源厂家已经陆续开始开发三相11kW OBC，首选方案均考虑使用碳化硅MOSFET作为DC/DC输入级开关管，可以预见，未来三相11kW OBC将会成为碳化硅MOSFET的主要应用场景之一。提高电池电压，也可以缩短直流充电时间。要求OBC后级输出电压升高，配合目前OBC从单向到双向的发展趋势，DC/DC次级器件也需要从目前的650V二极管转变成900V/1200V的开关管。

为什么选择SiC？

PFC主要功率器件，包括升压二极管和开关MOS管

1. 当开关MOS管打开关闭时，硅二极管会有反向恢复电流，肖特基二极管可以有很小的反向恢复电流，但是耐压不到300V；
2. SiC肖特基二极管，既有肖特基二极管的快速恢复特性，又有SiC的耐高压特性；碳化硅肖特基二极管（SiCSBD）是一种单极型器件，采用结势垒肖特基二极管结构（JBS），因此相比于传统的硅快恢复二极管（SiFRD），碳化硅肖特基二极管具有理想的反向恢复特性。可以有效降低反向漏电流，具备更好的耐高压能力。另一个重要的特点是碳化硅肖特基二极管具有正的温度系数，随着温度的上升电阻也逐渐上升，这与硅FRD正好相反。这使得碳化硅肖特基二极管非常适合并联实用，增加了系统的安全性和可靠性。在器件从正向导通向反向阻断转换时，几乎没有反向恢复电流，反向恢复时间小于20ns，甚至600V10A的碳化硅肖特基二极管的反向恢复时间在10ns以内。因此碳化硅肖特基二极管可以工作在更高的频率，在相同频率下具有更高的效率。
3. SiC MOSFET 的最大特点是原理上不会产生如IGBT中经常见到的尾电流。SiC 即使在1200V 以上的耐压值时也可以采用快速的MOSFET 结构，所以，与IGBT 相比，Turn‐off 损耗(Eoff)可以减少约90%，有利于电路的节能和散热设备的简化、小型化。而且，IGBT 的尾电流会随着温度的升高而增大，而SiC‐MOSFET 几乎不受温度的影响。另外，由于较大的开关损耗引起的发热会致使结点温度(Tj)超过额定值，所以IGBT 通常不能在20KHz 以上的高频区域内使用，但SiC MOSFET 由于Eoff 很小，所以可以进行50KHz 以上的高频开关动作。通过高频化，可以使滤波器等被动器件小型化。

 

ONsemi SiC产品的RoadMap

 

图表 4 ONsemi SiC 历史

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

2015年Fairchild推出第一代1200V SiC Diode，到2020年ONsemi已经陆续完善了650V、900V、1200V、1700V的SiC Diode和MOSFET产品线；

2021年4月最新消息，ONsemi欧洲的团队，正在基于SiC模块，开发25kW功率的直流快速充电器，能够为使用400V和800V的电动汽车电池充电，输入支持欧洲AC 400V美国AC 480V的三相电，Power Stage支持在500V到1000V电压范围内传输25kW的功率，输出电流被限制在50A以下；通信接口使用CAN，USB和UART。

多个25kW充电器堆叠在一起，组成一个充电柜。

系统的开发进展将会从从定义需求开始，然后是可行性研究、软件模拟仿真和硬件功能验证和测试；

整个方案将会包括三相PFC整流、全桥DC-DC，控制算法、调制方案及反馈、SiC电源驱动系统、800V总线辅助电源单元、热管理。

 

ONsemi的SiC产品介绍请参考官网：

ONsemi SiC 二极管：

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