【导读】在电动汽车中，快速充电技术需要将车辆电池的充电时间从几个小时缩短到十几分钟甚至更短的时间。直流快速充电是电动汽车目前很高效的快充技术，此时充电站通过直接向电池提供直流电，消除了从交流电到直流电的转换过程，使充电过程更快。
如今，电动汽车越来越受欢迎，随之而来的是对更高效充电解决方案的需求。然而，电动汽车的快速充电与智能手机等小型消费电子产品的快速充电有很大不同。
在电动汽车中，快速充电技术需要将车辆电池的充电时间从几个小时缩短到十几分钟甚至更短的时间。直流快速充电是电动汽车目前很高效的快充技术，此时充电站通过直接向电池提供直流电，消除了从交流电到直流电的转换过程，使充电过程更快。
直流快速充电也称为3级充电，该技术可谓是电动汽车充电技术游戏规则的改变者。与传统的交流充电需要数小时才能为电动汽车充满电不同，直流快速充电通常可以在18分钟内将电动汽车的电池充电至80%的容量。这种充电方式非常适合那些需要长途开车或在匆忙中需要快速充电才能继续行驶的驾驶员。
800V快充：大幅缩减电动汽车充电时间
快速充电站的建立对电动汽车的广泛采用至关重要。为了确保不同电动汽车型号和充电站之间的兼容性和互操作性，行业制定了各种直流快速充电标准，这些标准定义了充电系统的物理连接器、通信协议和电力输送能力。
目前，全球主要使用三种直流快速充电标准：CCS（联合充电系统）、CHAdeMO和NACS（北美充电标准）。CCS通常被欧洲和北美制造商使用，而CHAdeMO在日本制造商中应用更为普遍，NACS开始时是专为特斯拉汽车开发的。现在，为了让车辆与更广泛的充电站兼容，很多电动汽车制造商也开始采用NACS。而特斯拉也开始提供适配器，允许其车辆在非特斯拉直流快速充电站使用CCS标准充电。
与传统的交流充电方法相比，直流快速充电非常突出的优势是能够快速为电动汽车的电池充电，与常规的1级或2级充电器相比，它可以在更短的时间内提供80%的充电，大大缩短了电动汽车充电所需的时间，方便长途旅行，有助于缓解里程焦虑。
市场上的直流充电站可以提供50KW至150KW的功率。通常150KW的充电器额定电压为400V，大多数3级充电器在400V系统上运行。英飞凌的高性价比分立式产品，例如600V CoolMOS超结MOSFET P7和CFD7系列、650V IGBT TRENCHSTOP 5等就非常适合功率高达150KW的直流电动汽车充电设计。
不过，以特斯拉汽车的400V“超级充电站”（Supercharger）为例，虽然大幅缩短了EV充电时间，但仍然没有达到在12到15分钟内充满80%电量这个目标。
因此，导入电压高达800V的架构便成为EV发展的大势所趋。配备800V平台的电动汽车可以在10分钟充电时间内比原来增加约160千米的续航里程，这比标准的2级充电器快约30倍。除了快速充电，800V平台带来的好处还包括更轻的车身重量以及更高的热效率。
对于EV行业而言，800V平台并不是横空出世的技术，它的首次引入是在E级方程式全球电动锦标赛的系列赛车中，这些赛车对效率和热损耗有着极为苛刻的要求。800V平台之所以会有这些优势，简而言之：电压越高，转换效率就越高，充电时间也就越短。同时，更高的电压和更低的电流意味着可以使用更细的电线传输相同的功率，从而减轻了电机本身的重量。
以保时捷Taycan为例，在800V 270KW的3级充电器上，它可以在22.5分钟内将电池电量从5%充电至80%，而在400V 50KW的3级的充电器上，同样的充电量需要90分钟。
SiC器件：800V直流快充发展的源动力
在实际应用中，800V平台在EV行业并未普及，目前只有部分高端品牌车型采用了这个新架构，可以说是高端车型俱乐部的“入场券”。保时捷Taycan是第一款采用800V架构的电动汽车，奥迪e-tron GT、现代Ioniq 5和起亚EV6都是基于800V平台的电动汽车。通用汽车已经宣布将为其新的Ultium电池架构提供800V选项。新亮相的小米SU7，其电池支持800V高压平台超级快充，充电5分钟续航200公里、充电15分钟续航可达510公里。全球汽车解决方案供应商德尔福认为，接下来大部分高端电动汽车都将采用800V架构。
根据J.D.Power有关2023年电动汽车的研究报告，近一半的美国消费者表示，不购买电动汽车的原因是目前充电的途径和快速充电的能力难以保证与传统燃油车拥有同样轻松的驾驶体验。更大功率的直流快充无疑是一个很好的解决方案。基于800V平台的直流快充能输出高达350KW的功率，大幅压缩了电动汽车电池的充电时长。
然而，若要达成这个目标，传统的硅基开关器件因性能有限，即使是极快的硅基充电器，仍然难以达到设计预期。作为一种宽带隙半导体，碳化硅（SiC）拥有高电压耐受性、高功率密度、低导通电阻以及优异的导热性，这些独特的物理特性使之能够实现卓越的开关速度和更高的功率传输。如果说800V架构是电动汽车技术的一个重要突破，那么SiC就是实现这一突破的硬件保障。
通过用SiC升级取代传统的硅元件，直流快充的设计可以在系统效率、功率密度和可靠性方面取得显著提高。此外，SiC还实现了更简单的设计，包括更少的组件、降低的系统成本、更高的效率、更小的尺寸以及更好的车辆到电网（V2G）双向充电能力，与硅基IGBT解决方案相比，系统尺寸将减少40%，重量减轻52%。
推动SiC应用落地，半导体厂商在行动
AIMZHN120R160M1T属于英飞凌SiC产品系列1,200V CoolSiC MOSFET家族，是一款适用于汽车应用的1,200V SiC- MOSFET分立器件，可在高频下运行，功率密度高且开关损耗低，有效提高了800V电池充电系统的效率。该器件的RDS(on)仅有160mΩ，具有一流的开关性能、高功率密度、卓越的效率、双向充电能力，是电动汽车车载充电器（OBC）设计的理想解决方案。
为了简化设计，英飞凌还专门备有CoolSiC MOSFET功率模块，这些模块可大幅节省逆变器设计人员的工作强度，同时使得直流快充系统实现前所未有的效率和功率密度。以FF2MR12KM1H为例，这是一款适用于电动汽车快速充电的1,200 V CoolSiC MOSFET半桥模块，采用了英飞凌著名的62mm封装和M1H芯片技术，电流密度高、开关损耗低、尺寸小巧，性能优异，尽可能地减少了对散热的需求。
图1：可用于800V电动汽车快充的1200V CoolSiC MOSFET半桥模块（图源：Infineon）
据英飞凌新公布的消息，公司将为小米汽车新发布的SU7智能电动汽车供应SiC HybridPACK Drive G2 CoolSiC功率模块及芯片产品直至2027年。HybridPACK Drive G2是英飞凌去年刚刚推出的一款新型汽车功率模块，具有不同的额定电流和电压等级（750V和1200V），它传承了成熟的HybridPACK Drive G1 集成B6 封装概念，在相同尺寸下可扩展至更高的功率，在750V和1,200V 电压等级内能够实现高达300KW的功率，基于该功率模块的牵引逆变器进一步增加了电动汽车的续航里程。小米SU7 Max版将采用两颗1,200V HybridPACK Drive G2 CoolSiC模块。
图2：可用于电动汽车牵引逆变器的HybridPACKDrive_G2功率模块底视图（图源：Infineon）
高速高压二极管是电动汽车快速充电系统的另一关键部件，常常用于功率因数校正电路和逆变器中。SiC材料能以具有快速器件结构特征的肖特基势垒二极管（SiC SBD）结构制作出1200V以上的高耐压二极管。通过将快速PN结二极管（FRD）替换为SiC SBD，可大幅减小反向恢复损耗，实现电源的高效率，并且通过高频驱动实现电感等被动器件的小型化。
ROHM公司的SiC SBD具有很小的总电荷（Qc）和低开关损耗，正向电压仅为VF＝1.35V @25℃、1.55V @150℃，被广泛用于电源的PFC电路中。目前，ROHM的SiC SBD产品线主要包括650V、1,200V、1,700V耐压等产品。该公司第三代SCS3系列的SBD采用其专有的SiC结构，VF特性得以进一步改善，150℃时的VF成功降低至1.44V，而且抗浪涌电流性能IFSM也进一步提高。
图3：ROHM专为汽车应用推出的1200V SiC SBD器件SCS210KNHR大幅降低了开关损耗，实现了高速开关（图源：ROHM）
未来展望
未来十年，电动汽车电力电子产品的需求将大幅增长，受纯电动汽车市场快速增长的推动，IDTechEx预测该市场全球复合年增长率将达到15%。眼下，电动汽车的重点挑战之一是充电时长以及快速充电系统的可用性。电池组是电动汽车的关键部件之一，它需要储存大量能量来为汽车提供动力。
截至2022年底，大多数公共直流快速充电器都是为400V电池结构的汽车制造的，这也是多年来的标准，但它距离实现在12到15分钟内充满80%电量这个目前可被消费者接受的目标仍存在较大差距。
好在新的解决方案——800V高性能电动汽车直流配电系统逐渐在行业内铺开。该系统能以极小的电压降提供高功率，从而实现更高的电源转换效率。加之800V平台还不太容易受到热失控的影响，这意味着它可以在比其他系统更高的温度下安全运行。此外，800V平台的可扩展性使其很容易地适应不同的功率需求。现在，800V架构已经成为电动汽车技术的一个重要突破。尽管目前看起来它貌似是一项只在部分高端车型上使用的“高级”技术，实质上它已经开始向更主流的汽车品牌扩散。
SiC的高频能力有助于实现大功率快速充电，缩短电动汽车充电时间。配备SiC的牵引逆变器可大幅提高能效、延长续航里程，优化电池的利用率，解决电动汽车生态系统中的关键问题。很多高性能电动汽车正在受益于基于SiC的800V直流快充方案带来的好处。
电动汽车制造商、半导体公司和研究机构之间的合作进一步推动了SiC技术的创新和成本的降低。Research And Markets预计，全球电动汽车SiC市场有望实现指数级增长，到2032年，市场价值将达到90.312亿美元，在2023年至2032年的预测期内，复合年增长率高达33.02%。
在电动汽车行业，SiC正在成为实现800V甚至更高电压快速充电的关键技术。虽然现阶段，远高于传统硅基元件的价格对SiC的广泛采用带来了不利影响，但随着应用的普及，解决了成本问题的SiC器件必将在电动汽车的快速发展中起到巨大的推动作用，而电动汽车行业则有望全面进入800V平台这一新的阶段。
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