安森美半導體助力電動汽車充電樁市場發展并推動創新

在國家環保政策的激勵下，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%。根據中國的“一車一樁”計劃，電動汽車充電樁總數在2020年將達480萬個，與現有的接近50萬個相比，未來2年多內將安裝430萬個，其中將至少有200萬個是大功率直流充電樁。安森美半導體是嶄露頭角的電動汽車/混合動力汽車半導體領袖，緊跟市場趨勢，提供全面的高性能方案，包括超級結SuperFET? III MOSFET、碳化硅（SiC）二極管、IGBT、隔離型門極驅動器、電流檢測放大器、快恢復二極管，滿足電動汽車充電樁市場需求并推動創新。

電動汽車充電樁基礎知識及市場趨勢

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轉換成DC，然后通過配電箱為車內的動力電池充電。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，續航里程為200至500 km，充電方式從3c到10c。續航里程是目前電動汽車不及傳統燃油汽車受歡迎的一個原因，要想增加續航里程，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體相應的產品如圖1所示。

圖1：典型的電動汽車充電樁電源模塊框圖

SuperFET? III MOSFET實現高功率密度

安森美半導體具有寬廣的超級結MOSFET（SuperFET）產品陣容，新一代SuperFET? III較SuperFET? II減小達40%的Rds（on），在應用于大功率應用中可減小并聯FET數，實現更高功率密度。SuperFET? III有3種版本：FAST版本、Easy Drive版本和FRFET版本，分別針對不同的設計需求。

FAST版本用于硬開關拓撲，提供高能效和減小Qg和Eoss。Easy Drive版本用于硬/軟開關，易驅動，實現低EMI和電壓尖峰，優化內部Rg和電容。FRFET版本用于軟開關拓撲，更小的Qrr和Trr實現更高的系統可靠性。

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損耗和導通損耗，大多功率器件將轉向SiC二極管及FET。安森美半導體已推出650 V和1200 V SiC二極管，并即將發布 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系列涵蓋所有應用

安森美半導體為推動電動汽車充電樁創新，推出第四代場截止（FS4） 650 V IGBT和超高速（UFS） 1200 V IGBT。FS4 650 V IGBT提供業界最低的飽和壓降VCE（sat）和最低的關斷損耗EOFF，UFS 1200 V IGBT擁有行業內最低的開關損耗Ets和VCE（sat），各種不同系列涵蓋所有應用，同類最佳的性能提供出色的系統能效及可靠性。

隔離型門極驅動器

目前在充電樁的設計中，數字芯片用得很多，數字芯片是低壓側，而功率部分是高壓側，兩者間需要有隔離并需帶有驅動能力。

安森美半導體的高壓門極驅動器具有比競爭器件更低的開通損耗Eon、關斷損耗Eoff、導通損耗Econ，或飽和壓降VCE（sat），集成DESAT、米勒鉗位、欠壓鎖定、熱關斷等豐富的保護特性，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、低成本等諸多優勢。IGBT門極驅動器在米勒平坦區提供大電流驅動，同時提供最低的VOH/VOL。

除了高壓門極驅動器，安森美半導體還提供一系列光隔離門極驅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部拓撲的電流采樣，提供有助于實現系統中安全和診斷功能的關鍵信息。安森美半導體提供集成外部增益設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。集成內部增益設置電阻的NCS21x零漂移電流檢測放大器，提供高集成度、高精度和高能效優勢。

快恢復二極管

快恢復二極管主要有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二極管具有軟恢復的S因子，trr《35 ns，用于輸出整流、續流二極管、PV逆變器及UPS。

其它器件

此外，安森美半導體還提供各種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ASSP、PLC方案等，并即將發布寬禁帶（WBG）驅動器，推動充電樁創新。

IPM/SPM與分立方案相比，在減少占板空間、提升系統可靠性、簡化設計和加速產品上市等方面都具有無可比擬的優勢。隨著充電樁功率的提升，PIM將是發展趨勢，實現更高功率密度，先進的封裝提供極佳散熱性。T6 40V MOSFET 有業界最低的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計高能效、高功率密度的電源。WBG驅動器可驅動SiC或氮化鎵（GaN）。

總結

在政府政策的引導下，電動汽車市場蓬勃發展。隨著電動汽車的數量增長，充電樁的數量也隨之迅速增長。安森美半導體是嶄露頭角的電動汽車/混合動力汽車半導體領袖，并憑借在功率器件和模塊領域的專知，提供SuperFET? III MOSFET、SiC diode、IGBT、隔離型門極驅動器、運算放大器、快恢復二極管、IPM、PIM等廣泛的高性能產品，為充電樁的設計提供強有力支持，并持續開發更高功率的方案，助力實現電動汽車更快充電、更長的續航里程。