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世界各國政府都在推動私家車和商用車車主轉向更環保的替代品，例如電動汽車 (EV)。但是，進行此更改的最大障礙之一是車輛續航里程問題。大多數中低檔 EV 可以在需要充電之前完成數次行程。但是，如果您計劃長途旅行，在途中為 EV 充電仍然需要比為內燃機車輛加油更多的時間。

該行業正在努力通過開發可與為內燃機車輛加油相媲美的快速直流充電解決方案來縮短充電時間。與使用家用交流電的 EV 車載充電器 (OBC) 不同，快速直流充電器繞過 OBC，直接向 EV 的電池充電電路提供能量。而且，與交流充電器不同，此類充電器可以在短短 10 分鐘內將電動汽車充電至 80% 的電量。

電動汽車快速直流充電器

當前的快速直流充電器提供 35kW 至 50kW 的功率，工作電壓高達 800V。最高功率的充電器通常安裝在高速公路服務站。您的 EV 能否吸收這樣的能量取決于它的設計和電池。當今大多數電動汽車的充電功率都限制在 300kW 以下。

對于如此高功率和電壓的應用，存在許多工程挑戰。這些范圍從安全性和可靠性到可維護性、效率、尺寸和成本——包括運營和采購。迄今為止，設計方法一直依賴于硅 IGBT 和 MOSFET。然而，由于引入了寬帶隙半導體，例如 Wolfspeed 的碳化硅，碳化硅 MOSFET 正迅速成為功率開關的首選。

EV 充電器轉向碳化硅 MOSFET

快速直流充電器的核心可以分為兩個關鍵塊：

AC/DC 級，將輸入交流電轉換為直流鏈路電壓

為 EV 電池提供直流電的 DC/DC 轉換器。

此外，還有支付機制、人機界面和連接元素。此類充電器的功率傳輸部分由多個模塊構成，每個模塊通常為總功率提供 15kW 至 50kW 的功率。

圖 1：用于 EV 快速直流充電器的電源轉換器的簡化框圖。（來源：Wolfspeed）

盡可能高的效率和功率密度是關鍵的設計目標，使工程師能夠交付更小、更輕的模塊，同時散熱挑戰更少。

采用 Wolfspeed 碳化硅 MOSFET 的有源前端

對于 AC/DC 級，有源前端 (AFE) 是使用六個開關頻率為 20kHz 的硅 IGBT 實現的常見拓撲。這樣一個 22kW AFE 級有望實現 97.2% 的可觀峰值效率。然而，功率密度約為 3.5kW/L，熱設計元件占系統成本的 20%。

這就是設計師轉向基于碳化硅的設計的原因。與硅基替代品相比，碳化硅 MOSFET的 R DS(ON)隨溫度升高而增加的幅度較小。在應用的工作溫度下，由于 R DS(ON)低于硅，因此散熱較低。Wolfspeed WolfPACK ?電源模塊中的 Wolfspeed 1200V CCB021M12FM3 等設備帶有 21mΩ 碳化硅 MOSFET，是 AFE 拓撲的絕佳選擇。

這種碳化硅 MOSFET 還可以在高達 45kHz 的更高開關速度下運行，與基于 IGBT 的 AFE 相比，可以使用更小的扼流圈。此外，由于由此產生的散熱量減少，散熱成本僅占系統總成本的 10%。

圖 2：具有 Wolfspeed WolfPACK?電源模塊的 25kW 雙向 AC/DC AFE適用于快速直流充電器設計。（來源：Wolfspeed）

還提供適用于快速直流充電器應用的 25kW AFE 參考設計 CRD25AD12N-FMC。由于使用了 Wolfspeed WolfPACK ?三相配置模塊，這種雙向設計實現了 98.5% 的峰值效率和 >4.6kW/L 的功率密度。

從硅 MOSFET 到 DC/DC 級碳化硅

碳化硅也在 DC/DC 階段取代硅。在 DC/DC 諧振 LLC 轉換器中工作頻率約為 100kHz 的硅基開關可達到 97.5% 的峰值效率和 3.5kW/L 的功率密度。然而，功率要求通常需要交錯設計，這會增加組件數量和復雜性。

通過采用分立器件（例如Wolfspeed C3M0032120K）的碳化硅 MOSFET 設計，開關速度可以提高到高達 250kHz。這些四引腳 TO-247-4 封裝的碳化硅 MOSFET 還提供開爾文引腳。在硬開關、大電流和高頻拓撲中，這有助于減少串擾和開關損耗。因此，與使用三引線碳化硅器件相比，這些損耗最多可降低四倍。諧振 CLLC 參考設計 CRD-22DD12N 在 22kW 雙向 DC/DC 轉換器的設計中僅使用八個分立式碳化硅 MOSFET。作為快速 EV 充電器設計的一部分，它可以在 8kW/L 的功率密度下實現超過 98.5% 的峰值效率。