为V2H壁挂小直流双向充电桩提供SiC碳化硅MOSFET全桥功率模块解决方案

杨茜碳化硅

BASiC基本公司为V2H壁挂小直流双向充电桩提供SiC碳化硅MOSFET全桥功率模块解决方案
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V2H（即车辆到家庭）使用智能电动汽车充电和双向（双向）充电，将停放的电动汽车 (EV) 电池中存储的能量传输到家中，用作备用电源。电动汽车中的电池可以让家庭或小型企业运行数天。居住在公用事业提供可变定价地区的房主可以使用 V2H，在电网电力最昂贵的高峰需求时段利用电动汽车电池供电，从而减少电费。
8 p2 \( w- p" G' [9 _使用电动汽车电池中存储的能量代替电网能源也有助于减少碳足迹。 V2H 与家用太阳能电池板相结合更加环保。电动汽车电池可以存储太阳能电池板白天产生的多余能量（家庭到车辆的电力流），并且该能量可以在晚上用于为您的家庭供电（车辆到家庭的电力流）。在此用例中，电动汽车正在补充或更换用于家庭存储的昂贵电池，同时还使用无排放能源。

+ I$ x0 x: L. r4 y. x! xV2H 技术让电动汽车将电力返回家庭电网，提高弹性，节省成本并提供备用电力 - 为可持续能源的未来铺平道路，电动汽车可以在中断期间为房屋供电，或在高峰时段供电以减少电网依赖。
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正如预期的那样，V2H壁挂小直流双向充电桩双向电动（汽车充电器市场）正在起飞。这种既可以给电动汽车电池充电，也可以将电力输出到家庭或电网的设备在过去几年里一直受到热烈的追捧，但市场上却没有太多产品。这种情况开始发生变化，因为 Delta Electronics 最近加入 Fermata Energy 和西门子（通过 Ford Charge Station Pro）作为双向充电器获得UL 9741 认证，该标准涵盖双向充电设备并包括向电网输出电力的功能。 Enphase、SolarEdge、Wallbox 和 GM Energy 等更多公司正准备今年最终将自己的V2H双向充电器推向市场。

& K0 m) W! Q, X; b! [当谈到家庭能源的未来时，直流电因其用途广泛而将发挥核心作用。屋顶太阳能电池板产生直流电，这意味着您可以利用屋顶上产生的太阳能为您的汽车充电并为您的家庭高效供电，而不会对您或环境造成任何成本。电动汽车也正在变得双向，这意味着电池中存储的直流电可以用来为您的家庭供电，甚至可以发送回电网，从而增加高峰需求期间可用的清洁能源量。
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9 \. ^9 A) W+ p# J& P2 F+ N# g使用家用插座为电动汽车充电的便利性是以牺牲效率为代价的。当依靠汽车的车载转换器OBC在充电过程中完成繁重的工作时，会损失大量的能量。一项研究发现，车载充电器OBC是链条中最薄弱的环节，与使用交流电源为电动汽车充电所涉及的所有其他组件相比，车载充电器OBC造成的损耗更多。“充电设备OBC的高百分比损耗并不奇怪，因为充电设备必须设计为在较宽的电流和电压范围内运行。”

- a: P/ Q+ g6 A' C6 e- c为什么基本公司650V SiC碳化硅MOSFET在V2H壁挂小直流双向充电桩应用中全面取代超结MOSFET和高压GaN氮化镓器件？

/ Q& n: S2 j) q9 d- R1 ]在现代电力电子领域，器件的选择对于系统性能至关重要。基本公司650V SiC（碳化硅）MOSFET作为一种新型的功率半导体器件，正在逐步取代传统的超结MOSFET和GaN（氮化镓）器件。这一现象背后，蕴含着材料科学、电子工程和电力电子技术的深刻变革。本文将从多个维度深入探讨650V SiC MOSFET为何能够成为超结MOSFET和GaN器件的有力竞争者。
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首先，从材料特性上看，SiC具有显著的优势。SiC的禁带宽度是硅的3倍，导热率为硅的4-5倍，击穿电压为硅的8-10倍，电子饱和漂移速率为硅的2-3倍。这些优异的物理特性使得SiC器件在高温、高压、高频应用中表现出色。相比之下，传统的硅基超结MOSFET虽然在制造工艺和结构上有所创新，但在材料本身的限制下，其性能提升已接近极限。而GaN器件虽然也具有较高的电子迁移率和饱和漂移速度，但其生长工艺复杂，成本高昂，且在高温长时间续流情况下，反向电流能力急剧下降，限制了其广泛应用。

, l1 ^$ A) v0 e4 `基本公司650V SiC MOSFET的高温稳定性尤为突出。在高温环境下，SiC器件的导通电阻上升幅度远小于硅基器件，这意味着在高温应用中，SiC MOSFET能够保持较低的导通损耗，提高系统效率。而超结MOSFET虽然也具有一定的高温稳定性，但在极高温度下，其RDS(ON)（导通电阻）的上升会对散热提出更高要求。此外，SiC MOSFET的Ciss（输入电容）明显小于超结MOSFET，这使得SiC MOSFET的关断延时更小，更适合于高频率的开关应用。
4 [8 ~, [8 F* C; D+ i7 m- m! s超结 (Super Junction, SJ) MOSFET 固有器件弱点在算力电源，AI电源，双向逆变器等要求越来越高的应用场合，客户的应用痛点越来越突出：
* e3 w2 K7 S: U$ {超结 (Super Junction, SJ) MOSFET复杂制造工艺问题: 超结 MOSFET 的结构复杂，需要在制造过程中精确控制掺杂浓度和梯度，这使得生产难度加大，成本较高。
/ o  P$ f! P: p8 y7 i超结 (Super Junction, SJ) MOSFET热稳定性问题: 尽管其导通电阻在常温下较低，但超结 MOSFET 的导通电阻在高温环境中会显著上升，这可能导致效率降低和散热问题。
  b! `" p* t) ^* ~超结 (Super Junction, SJ) MOSFET开关速度问题: 相较于SiC MOSFET，超结 MOSFET 的开关速度稍显逊色，在高频应用中可能不如这些竞争对手表现优异。
超结 (Super Junction, SJ) MOSFET寄生电容影响问题: 超结 MOSFET 的寄生电容较大，特别是输入电容，对高频开关性能会有一定影响，增加了驱动电路的复杂性。
超结 (Super Junction, SJ) MOSFET应力敏感性问题: 由于其超结结构的特性，应力分布不均可能导致器件在高压或瞬态电压条件下产生较高的电场峰值，增加器件故障风险。

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- c; ^& M: r# C' y. @在开关损耗方面，SiC MOSFET同样展现出显著优势。由于SiC材料的高电子饱和漂移速度和低介电常数，SiC MOSFET的开关速度极快，开关损耗极低。相比之下，虽然GaN器件也具有极快的开关速度，但在实际应用中，由于GaN的驱动电路面临着高频响应、电压应力、热稳定性等挑战，其开关损耗的优势并不总是能够充分发挥。特别是在硬开关长时间续流的电源应用，GaN的反向电流能力急剧下降，所以不得不选用更大余量的GaN器件，相对成熟且成本持续下降的的SiC MOSFET，GaN器件性价比进一步恶化。
随着设备和工艺能力的推进，更小的元胞尺寸、更低的比导通电阻、更低的开关损耗、更好的栅氧保护是SiC碳化硅MOSFET技术的主要发展方向，体现在应用端上则是更好的性能和更高的可靠性。
4 |+ |1 g1 b: M) a# ?2 LGaN氮化镓器件面临散热管理困难: GaN 器件虽然可以在高温下工作，但其相对较低的热导率给散热管理带来一定挑战，增加了系统设计的复杂性。
GaN氮化镓器件面临可靠性问题: GaN 器件在长时间高功率运行情况下的可靠性还有待进一步验证，特别是在极端环境下的稳定性方面仍需更多研究。GaN氮化镓器件面临材料缺陷敏感性: GaN 的材料缺陷对器件性能影响较大，制造过程中需严格控制材料质量，增加了制造难度。GaN氮化镓器件面临单粒子效应 (SEE): 在空间和高辐射环境下，GaN 器件容易受到单粒子效应的影响，可能导致失效。
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7 R  g7 s1 y) g1 |) q$ cBASiC基本公司为SiC碳化硅功率器件全面取代IGBT和超结MOS提供驱动芯片及驱动供电解决方案
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7 R" l7 [: K( k( G$ pBASiC基本公司针对多种应用场景研发推出门极驱动芯片，可适应不同的功率器件和终端应用。BASiC基本公司的门极驱动芯片包括隔离驱动芯片和低边驱动芯片，绝缘最大浪涌耐压可达8000V，驱动峰值电流高达正负15A，可支持耐压1700V以内功率器件的门极驱动需求。
1 t2 v2 y( K' {9 W3 S+ ^$ Q' s8 DBASiC基本公司低边驱动芯片可以广泛应用于PFC、DCDC、同步整流，反激等领域的低边功率器件的驱动或在变压器隔离驱动中用于驱动变压器，适配系统功率从百瓦级到几十千瓦不等。
3 Y9 L2 _( C# EBASiC基本公司推出正激 DCDC 开关电源芯片BTP1521xx，该芯片集成上电软启动功能、过温保护功能，输出功率可达6W。芯片工作频率通过OSC 脚设定，最高工作频率可达1.5MHz，非常适合给隔离驱动芯片副边电源供电。
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( m0 o( ~  k' g; ]7 Z0 A) ^* ~为了利用直流电源带来的新智能家居能源功能，包括快速直流充电和车辆到家庭功率流 (V2H)，房主将需要逆变器 - 一种将交流电转换为直流电的逆变器，反之亦然。独立V2H壁挂小直流充电桩（通常安装在墙上）通常比塞入车辆中的单向车载充电器OBC效率高得多，公共直流充电站通常可实现90% 以上的效率就证明了这一点。

1 b* w. v6 \8 a/ j7 u( S: ?为此，BASiC基本公司为V2H壁挂小直流双向充电桩提供了SiC MOSFET功率模块BMH027MR07E1G3解决方案，助力全球V2H壁挂小直流双向充电桩方案升级，提升壁挂小直流双向充电桩转换效率，提升系统可靠性，简化电子装配工艺，降低制造成本。

  D5 c+ e* [$ n9 g9 F. _( |  rSiC碳化硅MOSFET全桥功率模BMH027MR07E1G3新型内部构造极大抑制了碳化硅晶体缺陷引起的RDS(on)退化。
SiC碳化硅MOSFET全桥功率模BMH027MR07E1G3具备优异抗噪特性和宽栅-源电压范围（VGS: -10V~+25V），及更高阈值电压（VGS(th).typ: 4V），便于栅极驱动设计。
SiC碳化硅MOSFET全桥功率模BMH027MR07E1G3采用高性能氮化硅AMB陶瓷基板及高温焊料，改善温度循环的CTE失配，陶瓷板的可靠性大幅提升。
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7 v( l3 r: u* U( c; ?. dV2H壁挂小直流双向充电桩(双向充电器)和 V2H 领域的一些值得注意的发展包括：
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+ E$ G6 c# b7 {) _/ l1 E6 ^Enphase 的双向充电器将于今年上市。该充电器将采用Enphase并网IQ8微型逆变器及其自有的能源管理技术。
竞争对手福特（Ford）不得超过GM Energy ，推出了最终的产品套件，包括PowerShift双向充电器和V2H支持套件，供2024 Silverado EV使用。
; `3 M6 g  D7 C# r6 }+ N' R8 LSolaredge预计，其双向充电器将在2024年下半年在商业上可用。这款新充电器还可以使电动汽车直接从太阳能光伏系统中收取，而无需任何AC-DC电源转换。
Wallbox和合作伙伴双向能源已从加利福尼亚能源委员会获得了资金，以在全州的家庭中部署Wallbox Quasar 2V2H壁挂小直流双向充电桩(双向充电器)。
# m4 P1 N% O9 e2 X8 g. E" @% oPG&E与一家电动汽车制造商建立了另一个 V2X 试点计划，目前正在公用事业区域测试宝马。宝马与福特和通用汽车一起进行测试，以帮助加州公用事业公司“充分发挥电动汽车的潜力，以增强客户的电网弹性和可靠性。”
. R0 t6 @; M4 `# aG&E向丰田寻求在南加州探索双向电力流的方案。该地区是该州最大的丰田电动车拥有地区之一。
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车到家是V2X 的一部分吗？
V2H类似于V2G或车辆到网格，其中存储的EV电能转移到电网上，以平衡需求时间的载荷。双向充电的其他类似应用是V2B（车辆到建筑物）和V2L（车辆到负载），所有这些应用程序都按照所有任期V2X或车辆到全部用途进行分组。每个之间的差异是电动电池电力电力的目的地。
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所有这些都被认为是新兴技术，V2H 和 V2G 的试点正在世界各地进行。实际上，V2H、V2B 和 V2L 比 V2G 更接近广泛的商业可用性，因为它们在技术上不太复杂。虽然 V2H 为个人消费者带来了巨大的好处，但 V2B 和 V2G 最有潜力为电网带来好处，因为它们的工作规模要大得多。
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) N; O  ^+ W8 r车到家需要支持双向充电的电动汽车，这使得车辆电池能够接收能量并将能量释放到车辆本身以外的目的地。
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' a+ g* `5 _% t3 i8 Q8 l  AV2H 还需要：
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智能能源管理软件控制过程
" N+ y9 ^7 S( O# |双向家庭充电器，可以将电动汽车电池的直流电源转换为房屋所需的交流电源，反之亦然（今天是市售的，但它们很昂贵；随着制造业的扩大，成本将下降）
( |! j4 P" X$ N; p* [使用通信协议ISO 15118和OCPP 0.1，充电器，车辆和EV充电管理平台之间的通信链接
适当的能源计量系统
当房屋从EV接收电源时
9 u: |0 \; ?) F: a! y( K双向充电器与房屋的能量面板之间的连接，该电池需要由持牌电工安装

7 R: x  ]+ y( ~9 LV2H会降解电动电动电动电池吗？
V2H 对电动汽车电池寿命的影响是一个重要问题。影响电池寿命的因素有很多，包括寿命、温度、操作期间的充电状态、超快速充电和使用（能量循环）。所有电池都会随着时间的推移而退化，但最近的研究证实了早期的研究表明，高电池使用率不会导致电池退化明显加剧。
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V2H有什么好处？
V2H技术的主要好处是避免在停电期间没有电力的不便，无论是持续几个小时还是几天。 V2H使您可以保持灯光，关键电器甚至医疗设备，而无需投资发电机或储物电池。 V2H还可以降低能源成本，有助于抵消对电动汽车和支持V2H技术的初始投资。
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9 R1 D/ r1 F9 G- V6 D V2H面临什么挑战？
; v2 ]9 Q; i& a3 n4 t0 x: P当今的首要挑战是支持双向充电的EV品牌和型号，以及购买和安装V2H所需的相关充电和电气系统组件的成本。随着技术变得更加广泛，这些挑战将不那么重要。

; h, g+ k7 o0 {" k: }# `: V6 nV2H今天在哪里采用？
尽管V2X功能和采用仍处于开发的早期阶段，但在过去几年中，EV利益相关者在使技术更加可用方面取得了长足的进步。 2024年7月，美国汽车巨头福特，太阳能运营商和当地电网利益相关者启动了美国的第一个V2H计划。值得注意的是，福特在V2H技术方面的领导始于2021年，当时它推出了美国第一个商业可用的双向系统。如今，电动汽车驾驶员有一系列可供选择的V2H能力的车辆。截至2024年，几家主要的EV汽车制造商都承诺在不久的将来扩大V2H的功能。
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' a3 f" B4 @5 U/ a3 ^6 q咬住必然，勇立潮头！BASiC基本公司代理商倾佳电子杨茜咬住SiC碳化硅MOSFET功率器件三个必然，勇立功率半导体器件变革潮头：

0 [) [% c0 g/ \. \2 ?BASiC基本公司代理商倾佳电子杨茜咬住SiC碳化硅MOSFET模块全面取代IGBT模块的必然趋势！
7 Q  u) r4 {3 g8 T2 |! y% fBASiC基本公司代理商倾佳电子杨茜咬住SiC碳化硅MOSFET单管全面取代IGBT单管的必然趋势！
5 Q  x* K0 C4 s& O4 Z' @BASiC基本公司代理商倾佳电子杨茜咬住650V SiC碳化硅MOSFET单管全面取代SJ超结MOSFET和高压GaN 器件的必然趋势！
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BASiC™国产SiC碳化硅MOSFET功率器件供应商-基本公司™研发推出更高性能的第三代碳化硅MOSFET，该系列产品进一步优化钝化层，提升可靠性，相比上一代产品拥有更低比导通电阻、器件开关损耗，以及更高可靠性等优越性能，可助力光伏储能、新能源汽车、直流快充、工业电源、通信电源、伺服驱动、APF/SVG、热泵驱动、工业变频器、逆变焊机、四象限工业变频器等行业实现更为出色的能源效率和应用可靠性。
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" s; h) G3 F; b- j+ T; SV2H 采用的成功将取决于原始设备制造商、电网利益相关者和电动汽车充电解决方案提供商的持续合作。总的来说，电动汽车的采用正处于关键的增长期。随着政府的激励措施和内燃机禁令为持续增长提供催化剂，我们正在进入电动汽车采用的充满希望的未来。尤其是，V2H/V2X 功能有可能成为电动汽车驾驶员和后期采用者的重要卖点，他们希望提供简单且经济高效的家庭能源备份。向电动汽车的转变将为我们所有人提供机会，不仅改变出行方式，而且改变能源消耗、存储和部署的方式。
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可以肯定的是：最重要的是，创新的硬件和软件解决方案将是确保最终用户和驱动程序尽可能无缝地部署V2X Technologies的关键。

为了保持电力电子系统竞争优势，同时也为了使最终用户获得经济效益，一定程度的效率和紧凑性成为每一种电力电子应用功率转换应用的优势所在。随着IGBT技术到达发展瓶颈，加上SiC MOSFET绝对成本持续下降，使用SiC MOSFET替代升级IGBT已经成为各类型电力电子应用的主流趋势。
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杨茜碳化硅

% N3 ~# h7 I& f% c BASiC-BMH027MR07E1G3_Target datasheet_Rev_0_0.pdf (2.85 MB, 下载次数: 0)

2025-1-26 13:03 上传

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