充电桩|【必充技】一一新能源充电桩核心部件碳化硅功率器件
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SiC 是目前相对成熟、应用最广的宽禁带半导体材料 , 基于 SiC 的功率器件相较 Si 基器件具有耐高压、耐高温、抗辐射、散热能力佳、导通损耗与开关损耗更低、开关频率更高、可减小模块体积等杰出特性 , 不仅可广泛用于电动汽车驱动系统、列车牵引设备、充电桩、开关电源、光伏逆变器、伺服电机、高压直流输电设备等民用场景 , 还可显著提升战斗机、战舰等军用系统装备的性能 。
SiC应用场景
1.新能源汽车
- 车载充电机(OBC):车载充电机是指固定在汽车上 , 可将地面的交流充电桩输入的交流电转换为直流电 , 直接给动力电池充电 , 充电过程中宜由车载充电机提供电池管理系统(BMS)、充电接触器、仪表盘、冷却系统等低压用电电源 。 车载充电机由输入端口 , 控制单元 , 功率单元 , 低压辅助单元和输出端口等部件组成 。 车载充电机一般为两级电路 , 前级为PFC级 , 即功率因数校正环节 , 实现电网交流电压变为直流电压 , 且保证输入交流电流与输入交流电压同相位 , 根据实际设计功率需求的不同 , 可采用多级Boost电路并联进行扩容;后级为DC/DC级 , 实现PFC级输出直流电压变为所需充电电压 , 实现恒流/恒压充电功能 , 并保证交流高压侧与直流高压侧的电气绝缘 。 SiC二极管及MOSFET器件则可用于车载充电机PFC和DC-DC次级整流环节 , 推动车载充电机向双向充放电、集成化、智能化、小型化、轻量化、高效率化等方向发展 。
- 电机驱动器:将碳化硅功率器件作为电机驱动器的开关器件可显著降低损耗 。 其中 , SiC BJT 构成的驱动器损耗降低了53%;当频率升高时 , 损耗还会进一步降低 , 开关频率为 15 kHz 时 , SiC BJT驱动器的损耗降低了67% 。
特斯拉Model 3采用搭载SiC MOSFET的逆变器
2.直流充电桩
直流充电桩又称快充充电桩 , 内部包含电源模块、计费系统、通信及控制系统、读卡及授权系统等 , 其中电源模块是核心部件 , 占设备总成本的50% , 可将电网中的交流电转换为直流电为汽车动力电池充电 。 因SiC基晶体管可以实现比硅基功率器件更高的开关频繁 , 因此可以提供高功率密度、超小的体积 , 将在直流充电桩应用领域加速市场渗透 。
120kw直流充电桩内部结构图
3.轨道交通
碳化硅功率器件相较传统硅基IGBT能够有效提升开关频率 , 降低开关损耗 , 其高频化可以进一步降低无源器件的噪声、温度、体积与重量 , 提升装置应用的机动性、灵活性 , 是新一代牵引逆变器技术的主流发展方向 。 在“碳中和、碳达峰”目标指引下 , 碳化硅功率器件将加速在轨道交通领域的渗透 。 目前株洲中车时代联合深圳地铁集团基于3300V等级高压大功率SiC MOSFET的高频化应用自主开发了地铁列车全碳化硅牵引逆变器 , 在节能方面表现优异 , 经装车试验测试 , 同比传统硅基IGBT牵引逆变器的传动系统 , 综合能耗降低10%以上 , 牵引电机在中低速段噪声同比下降5分贝以上 , 温升同比降低40℃以上 。
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