破解电动汽车充电难题，这款SiC功率模块有绝招

EliteSiC功率集成模块如何赋能电动汽车充电设施？安森美电源解决方案事业部，工业电源部，副总裁兼总经理Sravan Vanaparthy从产品性能、设计优势、核心应用等角度展开了深入讲解。

EliteSiC功率集成模块系列有什么亮点？

安森美最新推出了用于电动汽车充电站的最新EliteSiC 功率集成模块系列，其中集成了最新一代碳化硅MOSFET "M3S"。该系列提供了九种不同的模块选项，具有不同的导通电阻（RDS(on)）、封装尺寸和配置，以满足不同的终端市场需求。

产品的多样性是一大亮点，以高速公路充电桩为例，其功率范围在200至350千瓦之间，在此范围内，不同地区和终端市场基于系统需求，有着不同的功率需求和设计架构。客户可以选择较小尺寸或具有较高漏极-源极导通电阻（RDS(on)）的模块来设计30-40kW的中等功率机架，也可以选择具有最低RDS(on)和最高密度的模块来设计60-70kW功率的机架。

同时，该系列包括单向和双向转换选项，具体取决于功能需求和成本敏感性。所有这些模块均可从400V、800V乃至1000V系统扩展，以满足从乘用车到车队车辆的各种电池组需求。安森美的产品组合在输出电压方面具有灵活性，能够满足各种功率需求。

此外，所有模块现在都已经投入批量生产，客户可通过安森美的网站订购样品。

M3S MOSFET的性能优势是什么？

M3S是安森美最新一代的MOSFET，专为高速开关应用而设计，其技术经过优化，开关损耗更低。一些充电应用注重效率，而另一些则追求最佳的功率密度与成本比，因此，安森美团队对碳化硅技术和模块进行了优化，以适应各种终端应用。

其中一个差异化因素是我们在设计模块时考虑到了最终用途。例如，电动汽车主驱电机需要较低的工作频率、固定电感、短路能力和稳健性等。而对于电动汽车充电桩，我们需要将交流电转换为可用的直流电来为电池充电。充电桩主要是一种电阻型负载，因此无需处理短路或雪崩的能力。我们根据终端应用进行权衡，重点关注功率损耗的优化设计间。M3S系列由于其高频特性，具有最小化的开关损耗。

最新一代MOSFET 在上一代（M2S）的基础上，将RDS（on）降低了约15-20%。这使得充电站制造商能够在使用与上一代产品相同模块尺寸的情况下，提高其终端系统的功率密度。

碳化硅模块正朝着尺寸更小、重量更轻的方向发展，对产品设计提出了什么挑战？

采用最新一代M3S的碳化硅模块系列，与基于IGBT的设计相比，体积减小了40%，重量减轻了52%。这主要得益于高功率密度碳化硅模块，特别是针对大功率充电应用，实现了尺寸、重量和功耗的显著减少。由于其器件结构和使用宽禁带材料，它能以更高的效率工作，损耗更低。因此，客户可以使用两个风扇来代替四个风扇，并改用空气冷却来替代液冷。

此外，当您提高器件或功率电路的频率时，就可以使用更少的电感器和电容器等无源元件，从而节省了尺寸、重量和成本。

为什么双向充电对于充电基础设施如此必要？

电动汽车的保有量持续增长，但该行业的基础设施缺口巨大，尤其在超快充电站方面。

到2025 年，电动汽车充电基础设施需要增加四倍，到2030年需要增加八倍。政府的激励措施和整车厂商的投资推动了充电桩的推广，但电网也需要做好准备，这就是我们在集成的碳化硅模块中提供双向功能的原因。

一些客户正在将双向充电站设计为"分布式电网系统"，集太阳能、储能和充电站于一体，通过自产和储存部分能源以减少对电网的依赖。特别是利用非高峰时段储存能源并在高峰时段使用能源，可以大大节省能源成本。双向充电提高了充电站制造商的投资回报率。

充电站的应用环境对EliteSiC功率集成模块的可靠性提出了哪些要求？

鉴于模块所处的恶劣环境，客户对其长期可靠性的要求很高。根据充电站的位置和需求，其通常要比电动汽车多一些负载循环次数。我们通过优化布局寄生效应来设计模块，增加足够的密度以匹配高水平的功率循环次数，从而支持电动汽车充电桩实现更长的工作周期。任何停机时间都会给客户带来损失，因此，在碳化硅模块的设计、验证和测试中，提高模块的可靠性都是首要任务。在所有的设计和可靠性测试中，我们都超越了标准，并期望获得长期性能。

设计工程师如何通过仿真提高效率？

分段线性电路仿真（PLECS）是一种灵活的模型自助生成工具，可供客户和终端用户在安森美的网站上使用，其便捷性得到可客户好评。

这是一款用于设计大功率转换应用的软件，我们提供了所有模块、碳化硅和IGBT分立产品系列的模型。客户可以添加自己的需求，如输入电压、输出负载、环境温度、外部要求等，并选择适合自己的模型。

设计工程师无需进行硬件的反复试验和修改，只需登录系统，根据温度、负载分布等条件设定他们的扩展需求，然后设计出合适的硬件产品，从而加快上市时间。

EliteSiC仿真工具中的自助仿真功能，允许客户通过修改寄生电感和电阻来修改模型，以适应其实际的应用环境，从而仿真更接近终端系统的更准确的损耗。