碳化硅 MOSFET 取代電動汽車雙向充電器中的 IGBT

電動汽車 (EV) 以及更普遍的電動汽車的成功在很大程度上取決于為電池充電所需的時間。長期以來，電動汽車一直被認為是弱點之一，充電時間逐漸縮短，采用快速充電等先進解決方案，只需幾分鐘。直接連接到交流電源的車載充電系統(tǒng) (OBC) 通常每次充電至少需要四個小時。相反，以直流電運行的快速充電系統(tǒng)可以將充電時間減少到 30 分鐘以內。在充電系統(tǒng)中，基于碳化硅 (SiC) 的功率 MOSFET 發(fā)揮著重要作用。碳化硅是一種寬帶隙半導體，與硅相比，具有高效率和功率密度、高可靠性和耐用性等優(yōu)勢，可降低解決方案的成本和尺寸。

如圖 1 所示，盡管具有不同的功率要求和技術規(guī)格，兩種充電系統(tǒng)都可以受益于使用 SiC MOSFET，它可以管理安裝在 EV 中的電池的寬電壓范圍（通常在 200 V 和 800 V 之間），減少高達 40% 的功率損耗，將功率密度提高 50%，將有源組件的數量減半，并降低解決方案的整體成本。Wolfspeed 的 1.2-kV SiC MOSFET 系列不僅滿足這些要求，而且管理雙向充電/放電過程，取代了當前充電電路拓撲中使用的 IGBT 晶體管。

圖1：OBC與快充系統(tǒng)對比

基于 SiC 的兩級 AFE 塊

為了處理 EV 電池的寬電壓范圍和雙向充電/放電，Wolfspeed 開發(fā)了 22 kW 有源前端 (AFE) 和靈活的 DC/DC 轉換器，可適用于 OBC 充電系統(tǒng)和 DC 快速充電器。建議的解決方案基于 RDS(on) = 32 mΩ（圖 2）的 1,200-V SiC MOSFET，以較低的成本提供非常高的功率密度 (4.6 kW/L) 和效率 (>98.5%)。

圖 2：Wolfspeed 設計的簡單兩級 SiC AFE

與其他標準拓撲不同，例如基于六開關 IGBT 的設計（一種簡單但效率低得多的功率密集型解決方案）和 T 型轉換器（一種更復雜且成本更高的解決方案），SiC AFE 提供了一種簡單的控制和驅動程序接口，以較少的部件數支持雙向操作。C3M0032120K 是一款采用開爾文源極封裝的 1.2kV 32mΩ SiC MOSFET，有助于降低開關損耗和串擾，同時支持 –3 至 15V Vgs 的輕松驅動電壓。AFE 設計針對磁性元件的使用進行了優(yōu)化，可實現高開關頻率 (45 kHz)，同時磁芯和繞組的功率損耗更低。

AFE 還使用能夠支持三相和單相 PWM 方案的數字控制電路，平衡開關損耗并優(yōu)化熱性能、效率和可靠性。此外，可變直流鏈路電壓控制通過根據感測到的電池電壓改變直流總線輸出電壓并確保 CLLC 接近諧振頻率運行，從而實現高系統(tǒng)效率。圖 3（頂部）顯示了充電（圖騰柱操作）和放電（交錯操作）時的單相模式波形。圖 3（底部）中的波形的總諧波失真小于 5%，而是指三相橋臂 AFE 配置。

圖 3：（頂部）單相 AC 的測試結果 AC/DC 波形（頂部）和三相 AC 的測試結果 AC/DC 波形（底部）

與基于IGBT的傳統(tǒng)解決方案（最高效率為96%）相比，SiC MOSFET的效率達到了98.5%，降低了高達38%的功率損耗。此外，碳化硅可實現更低的工作溫度，從而實現更好的熱管理。在最大功率條件 (22 kW) 下，實測外殼溫度為 89.4°C，結點溫度為 112.4°C（計算值），基板溫度為 65°C。圖 4 顯示了與測試結果相關的效率曲線。

圖 4：單相充電/放電和三相充電模式的 AFE 效率圖

具有 1.2kV SiC MOSFET 的全橋 CLLC DC/DC 轉換器

另一個有趣的應用方案是全橋 CLLC DC/DC 轉換器，其中 1.2-kV SiC MOSFET 可用于單個兩電平高效轉換器方案（圖 5），從而減少部件數量和系統(tǒng)成本. 直流鏈路側 (900 V) 的工作電流達到 22.6 A RMS，而電池側 (800 V)的工作電流高達 28.5 A RMS。

圖 5：基于 SiC 的單個兩電平轉換器

結合 SiC AFE 模塊，全橋 DC/DC 設計受益于 AFE 根據檢測到的要充電的電池電壓提供的可變 DC 總線電壓。這使得 CLLC 能夠在接近諧振頻率的情況下運行，從而實現高系統(tǒng)效率。當電池電壓變低時，控制將切換到移相模式，降低電路增益，而不會在諧振頻率范圍之外低效運行。在較低的輸出電壓（剛好高于 400 V）時，CLLC 初級作為半橋運行，進一步降低系統(tǒng)增益并將諧振轉換器保持在有效的工作區(qū)域。半橋模式在總功率范圍上有一些限制，但提供了 98% 的強大峰值效率，即使對于低壓電池也是如此。

圖 6 顯示了與全橋配置相關的充電和放電波形。通過檢查它們，可以觀察到換向規(guī)律（低過沖），結合零電壓開通和低電流關斷，從而提高效率。

圖 6：基于 1.2-kV SiC MOSFET 的全橋拓撲的充放電 DC/DC 波形

DC/DC 轉換器在充電期間的效率達到最大值 98.5%，并保持在 97% 以上，直到進入半橋模式（圖 7）。請注意，對于充電期間較低的輸出電壓值，半橋模式如何限制效率和輸出功率。在放電過程中獲得了類似的曲線。

圖 7：用于充電和放電的全橋和半橋模式的 DC/DC 轉換器效率圖

CLLC MOSFET 在 480 VDC @ 17.28 kW 測試中記錄的最高損耗和溫度，計算功率損耗為 42 W，外殼溫度為 97.8°C，計算結溫為 116.7°C。

結論

Wolfspeed 的 22 kW AC/DC 和 DC/DC 轉換器展示了 Gen3 SiC MOSFET 的高性能，適用于汽車車載充電器、快速充電器和儲能應用。可將可變直流母線控制、調頻與移相組合、半橋/全橋拓撲等創(chuàng)新控制方式結合，實現頂級效率和功率密度。

Wolfspeed 提供許多其他參考設計和額外的支持工具，包括設計原理圖和布局文件、BOM、首選磁性材料的信息、應用筆記、培訓演示和一些應要求的固件。此外，SpeedFit 模擬器程序有助于根據實驗室數據快速計算功率器件的損耗并估計結溫，這些拓撲結構從簡單的降壓和升壓轉換器到具有諧振 DC/DC 轉換器的完全雙向圖騰柱 PFC。

審核編輯 黃昊宇