安森美（onsemi）全新推出的EliteSiC功率集成模塊，可為電動汽車直流超快速充電樁提供雙向充電功能。與傳統的硅基IGBT解決方案相比，尺寸最多可減小40%，重量最多可減輕52%。這更緊湊、更輕的充電平臺，將助力直流快充縮短充電時間。

EliteSiC功率集成模塊如何賦能電動汽車充電設施？安森美電源解決方案事業部，工業電源部，副總裁兼總經理Sravan Vanaparthy從產品性能、設計優勢、核心應用等角度展開了深入講解。

EliteSiC功率集成模塊系列有什么亮點？

安森美最新推出了用于電動汽車充電站的最新EliteSiC 功率集成模塊系列，其中集成了最新一代碳化硅MOSFET"M3S"。該系列提供了九種不同的模塊選項，具有不同的導通電阻（RDS(on)）、封裝尺寸和配置，以滿足不同的終端市場需求。

產品的多樣性是一大亮點，以高速公路充電樁為例，其功率范圍在200至350千瓦之間，在此范圍內，不同地區和終端市場基于系統需求，有著不同的功率需求和設計架構。客戶可以選擇較小尺寸或具有較高漏極-源極導通電阻（RDS(on)）的模塊來設計30-40kW的中等功率機架，也可以選擇具有最低RDS(on)和最高密度的模塊來設計60-70kW功率的機架。

同時，該系列包括單向和雙向轉換選項，具體取決于功能需求和成本敏感性。所有這些模塊均可從400V、800V乃至1000V系統擴展，以滿足從乘用車到車隊車輛的各種電池組需求。安森美的產品組合在輸出電壓方面具有靈活性，能夠滿足各種功率需求。

M3S MOSFET的性能優勢是什么？

M3S是安森美最新一代的MOSFET，專為高速開關應用而設計，其技術經過優化，開關損耗更低。一些充電應用注重效率，而另一些則追求最佳的功率密度與成本比，因此，安森美團隊對碳化硅技術和模塊進行了優化，以適應各種終端應用。

其中一個差異化因素是我們在設計模塊時考慮到了最終用途。例如，電動汽車主驅電機需要較低的工作頻率、固定電感、短路能力和穩健性等。而對于電動汽車充電樁，我們需要將交流電轉換為可用的直流電來為電池充電。充電樁主要是一種電阻型負載，因此無需處理短路或雪崩的能力。我們根據終端應用進行權衡，重點關注功率損耗的優化設計間。M3S系列由于其高頻特性，具有最小化的開關損耗。

最新一代MOSFET 在上一代（M2S）的基礎上，將RDS（on）降低了約15-20%。這使得充電站制造商能夠在使用與上一代產品相同模塊尺寸的情況下，提高其終端系統的功率密度。

碳化硅模塊正朝著尺寸更小、重量更輕的方向發展，對產品設計提出了什么挑戰？

采用最新一代M3S的碳化硅模塊系列，與基于IGBT的設計相比，體積減小了40%，重量減輕了52%。這主要得益于高功率密度碳化硅模塊，特別是針對大功率充電應用，實現了尺寸、重量和功耗的顯著減少。由于其器件結構和使用寬禁帶材料，它能以更高的效率工作，損耗更低。因此，客戶可以使用兩個風扇來代替四個風扇，并改用空氣冷卻來替代液冷。

此外，當您提高器件或功率電路的頻率時，就可以使用更少的電感器和電容器等無源元件，從而節省了尺寸、重量和成本。

為什么雙向充電對于充電基礎設施如此必要？

電動汽車的保有量持續增長，但該行業的基礎設施缺口巨大，尤其在超快充電站方面。

到2025 年，電動汽車充電基礎設施需要增加四倍，到2030年需要增加八倍。政府的激勵措施和整車廠商的投資推動了充電樁的推廣，但電網也需要做好準備，這就是我們在集成的碳化硅模塊中提供雙向功能的原因。

一些客戶正在將雙向充電站設計為"分布式電網系統"，集太陽能、儲能和充電站于一體，通過自產和儲存部分能源以減少對電網的依賴。特別是利用非高峰時段儲存能源并在高峰時段使用能源，可以大大節省能源成本。雙向充電提高了充電站制造商的投資回報率。

充電站的應用環境對EliteSiC功率集成模塊的可靠性提出了哪些要求？

鑒于模塊所處的惡劣環境，客戶對其長期可靠性的要求很高。根據充電站的位置和需求，其通常要比電動汽車多一些負載循環次數。我們通過優化布局寄生效應來設計模塊，增加足夠的密度以匹配高水平的功率循環次數，從而支持電動汽車充電樁實現更長的工作周期。

任何停機時間都會給客戶帶來損失，因此，在碳化硅模塊的設計、驗證和測試中，提高模塊的可靠性都是首要任務。在所有的設計和可靠性測試中，我們都超越了標準，并期望獲得長期性能。

設計工程師如何通過仿真提高效率？

分段線性電路仿真（PLECS）是一種靈活的模型自助生成工具，可供客戶和終端用戶在安森美的網站上使用，其便捷性得到可客戶好評。

這是一款用于設計大功率轉換應用的軟件，我們提供了所有模塊、碳化硅和IGBT分立產品系列的模型。客戶可以添加自己的需求，如輸入電壓、輸出負載、環境溫度、外部要求等，并選擇適合自己的模型。

設計工程師無需進行硬件的反復試驗和修改，只需登錄系統，根據溫度、負載分布等條件設定他們的擴展需求，然后設計出合適的硬件產品，從而加快上市時間。

EliteSiC仿真工具中的自助仿真功能，允許客戶通過修改寄生電感和電阻來修改模型，以適應其實際的應用環境，從而仿真更接近終端系統的更準確的損耗。

審核編輯：劉清