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从低功率物联网（IoT）传感器到高功率太阳能逆变器，功率转换几乎是所有设计中的一项基本功能。可再生能源的发展趋势和电动汽车采用率的提高需要更为高效可靠的能源转换。本文将重点介绍其中的一些动态，探讨给电子工程带来的挑战，并解释宽带隙碳化硅（SiC）技术如何迅速获得业界采用。由于碳化硅器件在效率和尺寸优于其他半导体技术，因而非常适合用于高功率应用。
本文只专注于一个应用：快速直流电动汽车充电器，我们将讨论典型充电器的工程挑战和高级架构，简要分析分立与模块化方法设计中的注意事项，之后会介绍onsemi F1半桥模块。
高功率能量转换的挑战
功率转换是一个非常广泛的话题。无论对于电池供电的网络边缘节点物联网传感器，还是大型商用太阳能转换器，功率转换和管理都同样重要，他们之间的区别仅在于所涉及的功率水平不同。传感器在运行期间可能仅消耗几毫瓦功率，而太阳能发电设备则可能达到数千瓦。功率转换对于从一个电压变换到另一个电压也至关重要。例如，物联网传感器的微控制器电压要求通常在3.3V或5V，但一般适合于此类应用的化学电池标称电压为3.7V。这同样适用于更高功率应用，如太阳能充电转换器、不间断电源和电动汽车充电器等，这些都需要将一个电压转换为另一个电压。尽管这些应用实例之间存在巨大的功率差异，但转换效率都很重要。在高功率转换应用中，低能效功率转换会导致能量损失，并表现为产生热量。过多的废热需要消散，以保持电子电路冷却并可靠工作。消散这些热量，并将其从功率转换半导体中移走是一项热管理挑战。
宽带隙碳化硅半导体技术
在所有高功率能量转换应用中，转换效率主要取决于功率半导体的特性。半导体中的一些特性会导致器件内部发生能量损失，一起导致产生热量。尽管热量的测量单位为mΩ，但半导体的导通电阻RDS(on)可能成为涉及数百或数千安培的高功率应用的重要考虑因素。硅功率半导体技术已达到其热和电子性能的极限，随着全球对能源效率的日益重视，新的半导体工艺技术已经出现。
碳化硅等宽带隙半导体工艺技术能够提供比硅高得多的热性能和电子性能，允许它们在更高开关频率、更高电压和更高温度下工作。图1比较了不同半导体材料和应用案例的功率管理和开关频率特性。
图1：不同半导体材料的功率、开关频率和应用案例。（来源：onsemi）
与硅器件相比，SiC具有许多优点，包括热导率提高了3倍，能带隙增大了3倍。对于采用600V硅器件的应用，则可以使用1200V开关电压的SiC器件。因此，SiC半导体（如SiC-MOSFET）越来越多地用于电动汽车充电器等高功率能量转换应用，这也许不足为奇。SiC器件还可以在更高功率密度下工作，从而实现体积更小的设计，这是空间受限的电动汽车充电器和路旁充电基础设施所需的一个特性。
随着SiC工艺技术的成熟，更小的工艺节点能够提供体积更小，且价格更具有竞争力的MOSFET，进一步加快市场的采用。
快速直流电动汽车充电器的架构探讨
广泛而随时可用的充电基础设施是电动汽车增长的关键因素。车载充电器提供了一种简单而缓慢的充电方法，可以在夜间通过家用电源为电动汽车充电。为了实现更快速充电，直流充电器的运行功率一般高于家用电源所能提供，需要大量的电气基础设施。快速直流充电器通常在20kW功率以上，预计充电时间为两小时。更高功率容量充电站可以扩展到350kW，并能够将充电时间缩短到10分钟以下。
负责设计快速直流电动汽车充电器的工程师面临几个开发限制。其中最重要的是，电动汽车充电基础设施完全无人值守，一般需要在易受雨水、灰尘和极端温度影响的室外环境中运行。另外，如果充电器在充电基础设施有限的偏远地区出现故障，驾驶员可能会因此陷入困境，因而运行的可靠性也至关重要。
快速直流充电器的高水平设计目标可能会包括严格的能源效率目标、用户安全和有效热管理，而且受所处位置的环境温度影响很小。电动汽车充电桩不仅需要适应主电源功率转换的所有可能情况，还必须监控充电、与车辆控制系统交互以及与服务提供商的计费系统通信。在这些设计中物理空间总是非常重要，机械工程师应为充电站内的适当热管理分配足够的空间余量。充电基础设施还应符合所有相关的电气安全、功能安全和车辆充电标准（CCS、CHAdaMO、特斯拉等）。高频、高功率开关转换器的另一个相关考虑因素是需要符合所在地区和国家电磁干扰（EMI）标准。
图2所示为一个快速直流电动汽车充电器的基本架构，其中两个主要组件是一个AC/DC三相功率因数校正（PFC）或有源前端（AFE）功能，以及一个高功率隔离DC/DC转换器。高功率充电站通常使用多个15kW至75kW的子单元来实现所需容量。
图2：快速直流电动汽车充电器的架构。（来源：onsemi）
每个功能模块可能以不同的拓扑实现，例如，用于PFC升压级的T中性点钳位（T-NPC）和用于DC/DC转换的全桥LLC零电压开关（ZVS）。
图3所示为一个典型电动汽车充电器三相PFC升压转换器，其中采用了T-NPC拓扑中的1200伏SiC MOSFET模块。
图3：一个采用T-NPC拓扑架构的典型三相PFC级。（来源：onsemi）
对于DC/DC转换器级，采用半桥SiC MOSFET模块实现的双有源桥拓扑架构能够提供紧凑而高效的布置。
SiC模块能够为电动汽车充电基础设施提供高效和更佳解决方案
尽管功率系统工程师可以使用分立SiC MOSFET构建电动汽车充电器的PFC和DC/DC转换器级，但封装好的SiC MOSFET功率集成模块（PIM）可提供空间和热管理优势，一个例子是onsemi NXH006P120MNF2PTG双组SiC MOSFET模块。该半桥模块是将一个6mΩ RDS(on)，1200V MOSFET和一个热敏电阻集成在一个紧凑、高热效率的F2封装内（参见图4）。
图4：onsemi 1200V、10mΩ SiC MOSFET和集成式热敏电阻整合在高热效率F1封装内部。（来源：onsemi）
SiC半桥MOSFET模块适用于太阳能逆变器、电动汽车充电和工业电源等应用。
图5所示为一个25kW 电动汽车充电器PFC和DC/DC转换器级中使用的NXH010P120MNF1模块。6组PFC功能（左侧）提供功率因数校正和AC/DC转换，并将DC/DC转换器的DC输入电压提升至800V。
图5：使用onsemi NXH010P120MNF1 SiC MOSFET模块的25kW EV充电器功能架构。（来源：onsemi）
图6所示为双有源桥布局示意图，其中显示了初级和次级功率集成模块（PIM），无需采用散热器和强制冷却风扇。DC/DC转换器可提供车辆和三相电源之间的隔离，并根据电动汽车电池管理系统的要求调整输出电压和电流。
图6
onsemi SiC半桥模块具有外形紧凑、低RDS(on)、优化的热管理和高工作频率等特性，使其成为高功率电动汽车充电基础设施应用的理想选择。
高功率SiC模块加速高能效功率转换应用的开发
随着电动汽车销售的持续增长，快速开发和部署可靠的充电基础设施至关重要。本文着重介绍了半导体工艺技术的最新进展，并讨论了基于碳化硅的MOSFET与硅材料相比所具有的优越特性。通过将多个SiC MOSFET封装成紧凑、热管理优化的外形尺寸，工程师能够将高功率转换应用快速推向市场。
