碳化硅MOS/超结MOS在直流充电桩上的应用-REASUNOS瑞森半导体

本文介绍了直流充电桩作为新能源汽车快速充电的关键设施,其产品组成、应用场所(如公共充电站),以及典型应用中的Vienna线路和DC/DC转换技术,重点提及瑞森半导体的高性能半导体解决方案。

一、前言

直流充电桩是新能源汽车直流充电桩的简称,一般也被叫做“快充”。直流充电桩一般与交流电网连接,可作为非车载电动汽车的动力补充,是一种直流工作电源的电源控制装置,可以提供充足的电量,输出电压和电流可以连续调节,可有效实现快速充电的要求。

据中国充电联盟发布的《2021 中国电动汽车用户充电行为白皮书》,直流充电桩已成为 99.3%用户的首选,因此直流充电桩面临较大的需求缺口,未来有望提速发展。

二、产品组成及应用场所

直流充电桩通常由充电机主机、电源部分、充电接口、显示屏、辅助设备这五部分组成。一般来说,直流充电桩可分为分体式和一体式两种类型。

直流充电桩是直接输出直流电给车载电池进行充电,充电效率高、时间短、功率较大( 60kW、120kW、200kW 甚至更高),故一般安装在公共充电站、停车场等公共场所。

三、典型应用拓扑图

四、应用线路及选型

如上图所示:通过Vienna线路(三相PFC功率校正)对工频三相交流电进行整流(输出:400-800V),推荐使用瑞森半导体600V/650V的超结MOS系列:采用多层外延工艺,优化了元胞结构,可靠性高,一致性好,对标英飞凌C3、 P6、 P7系列产品,产品选型如下:

PFC功率校正整流后再通过DC/DC线路(三电平全桥)LLC谐振变换器(输出400-750V)对电池进行充电,推荐使用瑞森半导体650V/1200V的碳化硅(SiC) MOS系列:极低的门电荷(QG)、极低反向恢复的快速本征体二极管、可最大限度减少传导损失,提供卓越的开关性能和强大的雪崩能力;器件参数一致性好;高频率的运行、能让被动元器件做得更小,产品选型如下:

### MOS技术原理 MOS是一种先进的功率半导体器件,采用了多层外延工艺技术制造。这种构显著优化了传统MOSFET的性能参数,在保持较低导通电阻的同时减少了寄生电容的影响[^3]。具体来说,MOS的核心在于其独特的PN交替排列设计,这使得器件能够在较高的击穿电压下维持更低的导通电阻。 #### 技术优势 - **低导通电阻**:由于特殊的PN构设计,MOS能够实现比常规MOSFET更低的导通电阻,从而减少传导过程中的能量损失。 - **高频工作能力**:得益于较小的寄生电容(尤其是输出电容和米勒电容),MOS适合应用于高频场景中,能有效降低开关损耗并提升整体效率。 - **热管理优异**:相比其他类型的功率器件,MOS具有更好的散热表现,因此可以在更高温度环境下稳定运行。 ### 应用领域 MOS广泛用于各种电力电子设备之中,尤其是在需要高效转换与快速响应的应用场合表现出色。例如: 1. **微型逆变器** 微型逆变器是分布式光伏发电系统的重要组成部分之一。在此类应用中,半导体制造的MOS因其卓越的EMI特性而备受青睐,有助于简化电磁兼容性测试流程,并提高系统的可靠性和安全性。 2. **开关电源(Switching Power Supply, SMPS)** 在现代SMPS设计里,工程师们倾向于选用MOS作为核心元件来构建高效的DC-DC变换器或者AC-DC适配器解决方案。这些产品不仅体积小巧而且具备出色的动态负载调整能力和瞬态恢复速度[^2]。 3. **电机驱动控制器(Motor Drive Controller)** 对于无刷直流电动机(BLDC Motor)以及其他复杂运动控制系统而言,利用高性能的MOS可以精确控制转矩波形形状进而改善整机性能指标如噪声水平、振动幅度以及能耗情况等方面均有所改进。 ```python # 示例代码展示如何计算理想条件下的功耗 def calculate_power_loss(rds_on, current): return rds_on * (current ** 2) rds_on = 0.015 # 单位欧姆 current = 10 # 安培 power_loss = calculate_power_loss(rds_on, current) print(f"Ideal power loss is {power_loss}W") ```
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