在国家环保政策的激励下，电动汽车正日益普及。中国是世界最大的汽车市场。据Goldman Sachs报道，2016年中国电动汽车占全世界电动汽车的45%, 这一百分比到2030年可能升至60%。根据中国的“一车一桩”计划，电动汽车充电桩总数在2020年将达480万个，与现有的接近50万个相比，未来2年多内将安装430万个，其中将至少有200万个是大功率直流充电桩。安森美半导体是崭露头角的电动汽车/混合动力汽车半导体领袖，紧跟市场趋势，提供全面的高性能方案，包括超级结SuperFET® III MOSFET、碳化硅(SiC)二极管、IGBT、隔离型门极驱动器、电流检测放大器、快恢复二极管，满足电动汽车充电桩市场需求并推动创新。
 

电动汽车充电桩基础知识及市场趋势
电动汽车充电桩分为交流充电桩和直流充电桩。电网中的交流电通过交流充电桩直接给车载充电器(OBC)供电，OBC 把AC转换成DC，然后通过配电箱为车内的动力电池充电。直流充电桩则包含许多AC-DC电源模块。
 

目前电动汽车电池容量基本在20至90 KWH，续航里程为200至500 km，充电方式从3c到10c。续航里程是目前电动汽车不及传统燃油汽车受欢迎的一个原因，要想增加续航里程，需提升电池容量密度。另外，车主希望充电时间更短，快充技术的支持必不可少。充电桩的功率目前在60 KW到90 KW，未来将发展到150 KW到240 KW甚至更高以缩短充电时间。而电动汽车电源模块的功率目前在15 KW、20 KW、30 KW，未来会发展到40 KW、50 KW、60 KW甚至更高。从目前充电桩市场的状况来看，有3大趋势：宽范围的恒定功率、宽范围的输出电压、更高功率的模块。
 

电动汽车充电桩电源模块框图
典型的电动汽车充电桩电源模块框图以及安森美半导体相应的产品如图1所示。

 

图1：典型的电动汽车充电桩电源模块框图
 

SuperFET® III MOSFET 实现高功率密度
安森美半导体具有宽广的超级结MOSFET(SuperFET)产品阵容，新一代SuperFET® III较SuperFET® II减小达40%的Rds(on)，在应用于大功率应用中可减小并联FET数，实现更高功率密度。SuperFET® III有3种版本：FAST版本、Easy Drive版本和FRFET版本，分别针对不同的设计需求。

FAST版本用于硬开关拓扑，提供高能效和减小Qg和Eoss。Easy Drive版本用于硬/软开关，易驱动，实现低EMI和电压尖峰，优化内部Rg和电容。FRFET版本用于软开关拓扑，更小的Qrr和Trr实现更高的系统可靠性。

表1：650V SuperFET® III Easy Drive器件

表2：650V SuperFET®III FRFET器件

 

SiC二极管具有卓越的强固性及竞争性能
随着充电桩功率的提升，由于SiC 提供比硅更低的开关损耗和导通损耗，大多功率器件将转向SiC二极管及FET。安森美半导体已推出650 V和1200 V SiC二极管，并即将发布 1200 V SiC MOSFET。其SiC二极管在宽温度范围具有比最好的竞争器件更低的VF，雪崩能量大，浪涌电流额定值大，从而提供卓越的强固性。

表3：650 V SiC二极管

表4：1200 V SiC二极管

 

各种不同IGBT系列涵盖所有应用
安森美半导体为推动电动汽车充电桩创新，推出第四代场截止(FS4) 650 V IGBT和超高速(UFS) 1200 V IGBT。FS4 650 V IGBT提供业界最低的饱和压降VCE(sat)和最低的关断损耗EOFF，UFS 1200 V IGBT拥有行业内最低的开关损耗Ets和VCE(sat) ，各种不同系列涵盖所有应用，同类最佳的性能提供出色的系统能效及可靠性。
 

隔离型门极驱动器
目前在充电桩的设计中，数字芯片用得很多，数字芯片是低压侧，而功率部分是高压侧，两者间需要有隔离并需带有驱动能力。
 

安森美半导体的高压门极驱动器具有比竞争器件更低的开通损耗Eon、关断损耗Eoff、导通损耗Econ，或饱和压降VCE(sat) ，集成DESAT、米勒钳位、欠压锁定、热关断等丰富的保护特性，且不同单体之间的脉宽失真和延迟变化很小，还提供灵活、高集成度、低成本等诸多优势。IGBT门极驱动器在米勒平坦区提供大电流驱动，同时提供最低的VOH/VOL。
 

除了高压门极驱动器，安森美半导体还提供一系列光隔离门极驱动器和高速光隔离器，广泛用于充电桩的信号传输电路中。
 

电流检测放大器
电流检测放大器主要用于充电桩的输入输出电流检测及内部拓扑的电流采样，提供有助于实现系统中安全和诊断功能的关键信息。安森美半导体提供集成外部增益设置电阻的电流检测放大器用于低压电流检测，如NCSx333零漂移运算放大器提供高精度的方案，NCS200xx 低功耗运算放大器提供具性价比的方案。集成内部增益设置电阻的NCS21x零漂移电流检测放大器，提供高集成度、高精度和高能效优势。
 

快恢复二极管
快恢复二极管主要有UltraFast II、HyperFast II、Stealth II二极管、FS III二极管。UltraFast II具有低VF(<1.5 V)，trr<100 ns，用于电源输出整流、汽车升压器及适配器和显示器。HyperFast II具有快速trr(<35 ns)，用于PFC、续流二极管、光伏(PV)逆变器、不间断电源(UPS)。Stealth II二极管具有软恢复的S因子，提供出色的EMI性能和更好的电压尖峰，trr<30 ns，用于PFC、PV逆变器及UPS。FS III二极管具有软恢复的S因子，trr<35 ns，用于输出整流、续流二极管、PV逆变器及UPS。
 

其它器件
此外，安森美半导体还提供各种IPM/SPM、功率集成模块(PIM)、T6和T8 MOSFET、PTNG 100 V MOSFET、有源钳位反激控制器、多模PFC、LLC同步整流、电池管理系统ASSP、PLC方案等，并即将发布宽禁带(WBG)驱动器，推动充电桩创新。
 

IPM/SPM与分立方案相比，在减少占板空间、提升系统可靠性、简化设计和加速产品上市等方面都具有无可比拟的优势。随着充电桩功率的提升，PIM将是发展趋势，实现更高功率密度，先进的封装提供极佳散热性。T6 40V MOSFET 有业界最低的RDS(on)。PTNG 100 V MOSFET与竞争器件有相似的RDS(on)，但减少50% 的Qrr。有源钳位反激控制器用于设计高能效、高功率密度的电源。WBG驱动器可驱动SiC或氮化镓(GaN)。
 

总结
在政府政策的引导下，电动汽车市场蓬勃发展。随着电动汽车的数量增长，充电桩的数量也随之迅速增长。安森美半导体是崭露头角的电动汽车/混合动力汽车半导体领袖，并凭借在功率器件和模块领域的专知，提供SuperFET® III MOSFET、SiC diode、IGBT、隔离型门极驱动器、运算放大器、快恢复二极管、IPM、PIM等广泛的高性能产品，为充电桩的设计提供强有力支持，并持续开发更高功率的方案，助力实现电动汽车更快充电、更长的续航里程。