基本半导体应用于高压快充的E2B碳化硅功率模块方案解析

摘     要

充电桩采用碳化硅模块可以增加近30%的输出功率，减少50%的损耗。目前在充电桩领域，碳化硅应用处于快速增长阶段，预计到2025年将提升至35%，市场规模将达200亿元。

近年来，充电时长已经成为影响新能源汽车驾驶体验的关键因素，市场对提高车辆充电速度的需求变得越来越迫切。高电压和大电流都可缩短充电时间，但考虑到铜线损耗的因素，高压大功率比大电流方案更有效率。而要提升充电速度，必然要关注大功率充电，在不提高整车电压平台的条件下，必须增大充电电流，但这样也会导致端子、线缆的发热量增加，继而温度升高。持续高温容易损害充电装置，严重的还会引发安全事故，为避免这种情况，必须将充电枪端子及线缆的发热量及温升降低，常用的方法就是增大导体截面积。然而增大导体截面积后会增加线缆的重量，用户使用会很不方便。考虑到充电枪的电流约束，最适合的办法是通过提升电压平台实现大功率充电。

图 高压快充架构下电池系统成本与低压大电流架构的对比

目前主流车企均在布局高压快充车型，预计2026年800伏以上高压车型销量将过半，但我国适配高压快充的高压充电桩数量不足。为此，主流车企和充电运营商正加快研发推出大功率快充桩，亟需更耐高压、耐高温、更小型化的新型功率器件，以满足充电设备对效率和安全的更高要求。

作为第三代半导体材料，碳化硅具有宽禁带、高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率等优异特性。与传统硅材料比较，碳化硅器件能有效满足充电桩设备耐高压、耐高温、更小型化新型器件的需求，帮助实现新能源汽车快速充电的目标。此外，碳化硅还能提高单位功率密度，减小模块体积并简化电路设计，对降低充电桩成本起到重要作用。

图 传统硅功率器件单向充电桩方案

图 碳化硅功率器件双向充电桩方案

传统硅方案充电桩模块电源中，DC/DC拓扑采用650V硅基超结MOSFET组成两个全桥串联的LLC，使用1200V碳化硅MOSFET以后，系统可以简化为一个LLC谐振回路，器件数量大幅度减少，有利于提升系统可靠性。尤其是关断损耗更小的碳化硅MOSFET，更适合充电桩电源模块DC/DC部分的LLC/移相全桥等电路拓扑。

同时，1200V/40mΩ碳化硅MOSFET分立器件在风光储充、车载充电、汽车空调等领域的电源模块上被广泛应用，规模优势使碳化硅MOSFET成本进一步降低，使得用1200V碳化硅MOSFET的系统成本比使用650V硅基超结MOSFET的更低，产品更具有竞争力。

此外，大功率（50kW~60kW）的充电模块功率密度高，体积有限，如果采用分立器件，并联数量会很多，给均流、安装和散热带来了非常高的挑战，而采用碳化硅 MOSFET模块方案，则可以很好地解决上述问题。

图 基本半导体1200V碳化硅MOSFET E2B半桥模块在充电桩中的应用

基本半导体PcoreTM2 E2B 全碳化硅半桥MOSFET模块BMF240R120E2G3基于高性能晶圆平台设计，在比导通电阻、开关损耗、抗误导通、可靠性等方面表现出色。高温(Tvj=150℃)下的RDS(on)参数仅比常温(Tvj=25℃)时增加1.4倍左右。产品内置碳化硅肖特基二极管，使得续流二极管基本没有反向恢复行为，大幅降低模块的开通损耗。产品还引入氮化硅(Si3N4)AMB陶瓷基板及高温焊料，可改善长期高温度冲击循环的CTE失配，陶瓷板的可靠性大幅提升。

图 PcoreTM2 E2B 全碳化硅半桥MOSFET模块BMF240R120E2G3

在高压快充的大背景下，以基本半导体为代表的碳化硅功率器件企业将不断加大研发力度，确保先进技术能紧跟行业趋势和市场需求，为充电桩设备制造企业提供更高性能的碳化硅功率器件。随着新能源汽车、光伏产业的快速发展，碳化硅器件在电力设备行业中还将有更广泛的应用，其市场规模还有巨大的成长空间，预计碳化硅功率器件在光伏逆变器的渗透率将从 2020年的10%增长至 2048年的85%。

关于

基本半导体

深圳基本半导体有限公司是中国第三代半导体创新企业，专业从事碳化硅功率器件的研发与产业化。公司总部位于深圳，在北京、上海、无锡、香港以及日本名古屋设有研发中心和制造基地。公司拥有一支国际化的研发团队，核心成员包括二十余位来自清华大学、中国科学院、英国剑桥大学、德国亚琛工业大学、瑞士联邦理工学院等国内外知名高校及研究机构的博士。

基本半导体掌握碳化硅核心技术，研发覆盖碳化硅功率半导体的材料制备、芯片设计、晶圆制造、封装测试、驱动应用等产业链关键环节，拥有知识产权两百余项，核心产品包括碳化硅二极管和MOSFET芯片、汽车级碳化硅功率模块、功率器件驱动芯片等，性能达到国际先进水平，服务于光伏储能、电动汽车、轨道交通、工业控制、智能电网等领域的全球数百家客户。

基本半导体是国家级专精特新“小巨人”企业，承担了国家工信部、科技部及广东省、深圳市的数十项研发及产业化项目，与深圳清华大学研究院共建第三代半导体材料与器件研发中心，是国家5G中高频器件创新中心股东单位之一，获批中国科协产学研融合技术创新服务体系第三代半导体协同创新中心、广东省第三代半导体碳化硅功率器件工程技术研究中心。