從低功率物聯網(IoT)感測器到高功率太陽能變流器，功率轉換幾乎是所有設計中一項基本功能。再生能源發展趨勢和電動車採用率提高需要更為高效可靠能源轉換。本文將介紹其中一些動態，探討為電子工程帶來的挑戰，並解釋寬能隙碳化矽(SiC)技術如何迅速獲得業內採用；將以快速直流電動車充電器為例，討論典型充電器工程挑戰和高階架構，簡要分析離散與模組化方法設計中注意事項。
高功率能量轉換挑戰大
功率轉換是一個非常廣泛話題。無論對於電池供電邊緣節點物聯網感測器，還是大型商用太陽能轉換器，功率轉換和管理都同樣重要，它們之間區別僅在於所涉及功率水準不同，感測器在運作期間可能僅消耗幾mW功率，而太陽能發電設備則可能達到數kW。
功率轉換對於從一個電壓變換到另一個電壓也至關重要。例如物聯網感測器微控制器電壓要求通常在3.3V或5V，但一般適合於此類應用化學電池標稱電壓為3.7V，這同樣適用于更高功率應用，如太陽能充電轉換器、不斷電系統(UPS)和電動車充電器等，這些都需要將一個電壓轉換為另一個電壓。
儘管這些應用實例之間存在巨大功率差異，但轉換效率都很重要。在高功率轉換應用中，低能效功率轉換會導致能量損失，並表現為產生熱量，過多廢熱需要消散，以保持電子電路冷卻並可靠操作；消散這些熱量，並將其從功率轉換半導體中移走是一項熱管理挑戰。
SiC有效實現能源轉換效率
在所有高功率能量轉換應用中，轉換效率主要取決於功率半導體特性。半導體中的一些特性會使元件內部發生能量損失，一起導致產生熱量。儘管熱量量測單位為mΩ，但半導體導通電阻RDS(on)可能成為涉及數百或數千安培高功率應用的重要考量因素。由於矽功率半導體技術已達到其熱和電子性能極限，伴隨全球對能源效率日益重視，新的半導體制程技術已經出現。
碳化矽等寬能隙半導體制程技術能夠提供相較矽高很多的熱性能和電子性能，允許它們在更高切換頻率、更高電壓和更高溫度下操作。圖1比較了不同半導體材料和應用案例的功率管理和切換頻率特性。
圖1 不同半導體材料之功率、切換頻率和應用案例（來源：onsemi）
相較矽元件，SiC具有許多優勢，包括熱導率提高3倍，能帶隙增大3倍。對於採用600V矽元件應用，則可以使用1200V切換電壓之SiC元件。因此，SiC半導體(如SiC-MOSFET)越來越多用於電動車充電器等高功率能量轉換應用，這也許不足為奇。SiC元件還可以在更高功率密度下操作，實現體積更小設計，這是空間受限電動車充電器和路旁充電基礎建設所需特性。隨著SiC制程技術成熟，更小制程節點能夠提供體積更小，且價格更具有競爭力的MOSFET，進一步加快市場採用。
快速直流電動車充電器設計限制多
廣泛而隨時可用的充電基礎建設是電動車成長關鍵要素。車載充電器提供了一種簡單而緩慢充電方法，可以在夜間透過家用電源為電動車充電。為了實現更快速充電，直流充電器操作功率一般高於家用電源所能提供，需要大量電氣基礎建設。快速直流充電器通常在20kW功率以上，預計充電時間為兩小時。更高功率容量充電站可以擴展到350kW，並能夠將充電時間縮短到10分鐘以下。
負責設計快速直流電動車充電器的工程師面臨幾個開發限制。其中最重要的是，電動車充電基礎建設完全無人值守，一般需要在易受雨水、灰塵和極端溫度影響的室外環境中運作。另外，如果充電器在充電基礎建設有限的偏遠地區出現故障，駕駛員可能會因此陷入困境，因而操作可靠性也至關重要。
快速直流充電器的高水準設計目標可能會包括嚴格的能源效率水準、使用者安全和有效熱管理，而且受所處位置環境溫度影響很小；電動車充電站不僅需要適應主電源功率轉換所有可能情況，還必須監控充電、與車輛控制系統交互以及與服務提供者計費系統通訊。
在這些設計中物理空間總是非常重要，機械工程師應為充電站內適當熱管理分配足夠空間餘量。充電基礎建設還應符合所有相關電氣安全、功能安全和車輛充電標準(CCS、CHAdaMO、Tesla等)。高頻、高功率切換轉換器另一個相關考量因素是需要符合所在地區和國家電磁干擾(EMI)標準。
圖2所示為一個快速直流電動車充電器的基本架構，其中兩個主要元件是一個AC-DC三相功率因數校正(PFC)或主動前端(AFE)功能，以及一個高功率隔離DC-DC轉換器。高功率充電站通常使用多個15kW至75kW子單元來實現所需容量。
圖2 快速直流電動車充電器架構（來源：onsemi）
每個功能模組可能以不同拓撲實現，例如，用於PFC升壓級的T中性點鉗位(T-NPC)和用於DC-DC轉換的全橋LLC零電壓切換(ZVS)。圖3所示為一個典型電動車充電器三相PFC升壓轉換器，其中採用T-NPC拓撲中1200伏SiC MOSFET模組；而對於DC-DC轉換器級，採用半橋SiC MOSFET模組實現的雙主動橋拓撲架構能夠提供緊湊而高效布局。
圖3 一個採用T-NPC拓撲架構的典型三相PFC級（來源：onsemi）
SiC模組實現高效/可靠為電動車充電基礎建設
儘管功率系統工程師可以使用離散式SiC MOSFET構建電動車充電器PFC和DC-DC轉換器級，但封裝好的SiC MOSFET功率整合模組(PIM)可提供空間和熱管理優勢，一個例子是onsemi NXH006P120MNF2PTG雙排SiC MOSFET模組。該半橋模組是將一個6mΩ RDS(on)，1200V MOSFET和一個熱敏電阻整合在一個緊湊、高熱效率F2封裝內(圖4)。
圖4 onsemi 1200V、10mΩ SiC MOSFET和整合式熱敏電阻包括在高熱效率F1封裝內部（來源：onsemi）
圖5所示為一個25kW電動車充電器PFC和DC-DC轉換器級中使用的NXH010P120MNF1模組。6組PFC功能(左側)提供功率因數校正和AC-DC轉換，並將DC-DC轉換器DC輸入電壓提升至800V。
圖5 使用onsemi NXH010P120MNF1 SiC MOSFET模組的25kW EV充電器功能架構（來源：onsemi）
圖6所示為雙主動橋布局示意圖，其中顯示了初級和次級功率整合模組(PIM)，無需採用散熱器和強制冷卻風扇。DC-DC轉換器可提供車輛和三相電源之間隔離，並依照電動車電池管理系統要求調整輸出電壓和電流。
圖6 雙主動橋DC-DC轉換器可依照電動車電池管理系統要求調整輸出電壓和電流
總之，伴隨電動車銷售持續成長，快速開發和部署可靠充電基礎建設至關重要。本文著重介紹了半導體制程技術最新進展，並討論了碳化矽MOSFET與矽材料相較所具備優越特性，透過將多個SiC MOSFET封裝至緊湊、熱管理優化外形尺寸，工程師能夠將高功率轉換應用快速推向市場。
(本文作者任職於貿澤電子)