在電動(dòng)汽車中采用SiC MOSFET進(jìn)行雙向充電

電動(dòng)汽車 (EV) 以及更普遍的電動(dòng)汽車的成功在很大程度上取決于為電池充電所需的時(shí)間。長(zhǎng)期以來被認(rèn)為是電動(dòng)汽車的弱點(diǎn)之一，充電時(shí)間逐漸減少，快速充電等先進(jìn)的解決方案僅需幾分鐘。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(gè)小時(shí)。相反，以直流電運(yùn)行的快速充電系統(tǒng)可以將充電時(shí)間縮短到 30 分鐘以下。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。SiC 是一種寬帶隙半導(dǎo)體，與硅相比，它具有高效率和功率密度、高可靠性和耐用性等優(yōu)點(diǎn)，可降低解決方案的成本和尺寸。

如圖 1 所示，盡管有不同的功率要求和技術(shù)規(guī)格，但兩種充電系統(tǒng)都可以從使用 SiC MOSFET 中受益，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），將功率損耗降低多達(dá) 40%，將功率密度提高 50%，將有源組件的數(shù)量減半，并降低解決方案的總體成本。Wolfspeed 的 1.2kV 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(dāng)前充電電路拓?fù)渲惺褂玫?IGBT 晶體管。

圖 1：OBC 和快充系統(tǒng)對(duì)比

基于 SiC 的兩級(jí) AFE 模塊

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(zhuǎn)換器，可同時(shí)適應(yīng) OBC 充電系統(tǒng)和直流快速充電器。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(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單兩級(jí) SiC AFE

與其他標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，例如基于六開關(guān) IGBT 的設(shè)計(jì)（一種簡(jiǎn)單但效率低得多且功率密集的解決方案）和 T 型轉(zhuǎn)換器（一種更復(fù)雜且成本更高的解決方案），SiC AFE 提供了一種簡(jiǎn)單的控制和驅(qū)動(dòng)器接口，支持以較少的部件數(shù)進(jìn)行雙向操作。C3M0032120K 是一款采用開爾文源封裝的 1.2kV 32mΩ SiC MOSFET，有助于降低開關(guān)損耗和串?dāng)_，同時(shí)實(shí)現(xiàn) –3 至 15V Vgs 的輕松驅(qū)動(dòng)電壓。AFE 設(shè)計(jì)針對(duì)磁性元件的使用進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了高開關(guān)頻率 (45 kHz)，同時(shí)降低了鐵芯和繞組的功率損耗。

AFE 還使用能夠同時(shí)支持三相和單相 PWM 方案、平衡開關(guān)損耗并優(yōu)化熱性能、效率和可靠性的數(shù)字控制電路。此外，可變直流母線電壓控制通過根據(jù)檢測(cè)到的電池電壓改變直流母線輸出電壓并確保 CLLC 接近諧振頻率運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)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(cuò)操作）時(shí)的單相模式波形。圖 3（底部）中的波形總諧波失真小于 5%，而是指三相腿 AFE 配置。

圖 3：（上）單相交流電測(cè)試結(jié)果 AC/DC 波形和三相交流電測(cè)試結(jié)果 AC/DC 波形（下）

與基于 IGBT 的傳統(tǒng)解決方案（最大效率為 96%）相比，SiC MOSFET 的效率達(dá)到 98.5%，功率損耗降低高達(dá) 38%。此外，SiC 允許更低的工作溫度，因此可以實(shí)現(xiàn)更好的熱管理。在最大功率條件 (22 kW) 下，外殼測(cè)得 89.4°C，結(jié)點(diǎn)處測(cè)得 112.4°C（計(jì)算值），基板處測(cè)得 65°C。圖 4 顯示了與通過測(cè)試獲得的結(jié)果相關(guān)的效率曲線。

圖 4：?jiǎn)蜗喑潆?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(zhuǎn)換器

另一個(gè)有趣的應(yīng)用方案是全橋 CLLC DC/DC 轉(zhuǎn)換器，其中 1.2kV SiC MOSFET 可用于單個(gè)、兩級(jí)高效轉(zhuǎn)換器方案（圖 5），從而減少部件數(shù)量和系統(tǒng)成本. 直流鏈路側(cè) (900 V) 的工作電流達(dá)到 22.6 A RMS，而電池側(cè) (800 V) 的工作電流高達(dá) 28.5 A RMS。

圖 5：基于 SiC 的單個(gè)兩電平轉(zhuǎn)換器

結(jié)合 SiC AFE 模塊，全橋 DC/DC 設(shè)計(jì)受益于 AFE 根據(jù)感應(yīng)到的待充電電池電壓提供的可變直流總線電壓。這使得 CLLC 可以接近諧振頻率運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)高系統(tǒng)效率。當(dāng)電池電壓變低時(shí)，控制將切換到相移模式，從而降低電路增益，而不會(huì)在諧振頻率范圍之外低效運(yùn)行。在較低的輸出電壓（略高于 400 V）下，CLLC 初級(jí)作為半橋運(yùn)行，進(jìn)一步降低系統(tǒng)增益并將諧振轉(zhuǎn)換器保持在高效工作區(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(qiáng)大峰值效率，即使對(duì)于低壓電池也是如此。

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　　審核編輯：湯梓紅