SiC MOSFET在汽車車載充電中的應(yīng)用

日趨嚴(yán)格的CO2排放標(biāo)準(zhǔn)以及不斷變化的公眾和企業(yè)意見在加速全球電動汽車（EV）的發(fā)展。這為車載充電器（OBC）帶來在未來幾年巨大的增長空間，根據(jù)最近的趨勢，到2024年的復(fù)合年增長率（CAGR（TAM））估計(jì)將達(dá)到37.6%或更高。對于全球OBC模塊正在設(shè)計(jì)中的汽車，提高系統(tǒng)能效或定義一種高度可靠的新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已成為迫在眉睫的挑戰(zhàn)。

用于單相輸入交流系統(tǒng)的簡單功率因數(shù)校正（PFC）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（圖1）是個(gè)傳統(tǒng)的單通道升壓轉(zhuǎn)換器。該方案包含一個(gè)用于輸入交流整流的二極管全橋和一個(gè)PFC控制器，以增加負(fù)載的功率因數(shù)，從而提高能效并減少施加在交流輸入電源上的諧波。這種流行的PFC升壓拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡單，實(shí)施成本低且性能可靠。然而，二極管橋式整流器的導(dǎo)通損耗是不可避免的，且這將不支持車輛向AC電網(wǎng)提供電能的雙向運(yùn)行。采用多通道交錯式傳統(tǒng)升壓轉(zhuǎn)換器，對升壓電路進(jìn)行多次迭代，可改善某些系統(tǒng)性能參數(shù)，但并不能省去輸入二極管橋。

圖1：傳統(tǒng)的PFC

仿真數(shù)據(jù)（圖2）表面，在PFC塊中，輸入二極管橋的功率損耗比其他所有元器件損耗都要大。

圖2： PFC中的功率損耗分布

為了提高OBC系統(tǒng)的能效，人們研究了不同的PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括傳統(tǒng)PFC、半無橋PFC、雙向無橋PFC和圖騰柱無橋PFC。其中，圖騰柱PFC（圖3）由于減少了元器件數(shù)量，降低了導(dǎo)通損耗，且能效高，因而廣受歡迎。

圖3：無橋圖騰柱PFC

傳統(tǒng)的硅（Si） MOSFET很難在圖騰柱PFC拓?fù)渲械倪B續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下工作，因?yàn)轶w二極管的反向恢復(fù)特性很差。碳化硅（SiC） MOSFET采用全新的技術(shù)，比Si MOSFET具有更勝一籌的開關(guān)性能、極小的反向恢復(fù)時(shí)間、低導(dǎo)通電阻RDS（on）和更高的可靠性。此外，緊湊的芯片尺寸確保了器件的低電容和低門極電荷（QG）。

設(shè)計(jì)OBC的另一個(gè)挑戰(zhàn)是，車輛中分配給模塊的空間有限。在功率要求和電池電壓不斷提高的同時(shí)，設(shè)計(jì)既能滿足機(jī)械尺寸要求又能提供所需輸出功率的OBC變得越來越困難。使用當(dāng)前用于OBC的技術(shù)，工程師們不得不在功率、尺寸和能效之間進(jìn)行權(quán)衡，而SiC正在突破這些設(shè)計(jì)障礙。工程師使用具有更高開關(guān)頻率的SiC，可使用更小的電感器，仍能達(dá)到以前相同的電感器紋波電流要求。

在OBC系統(tǒng)中使用SiC MOSFET的好處是能夠以更高的頻率進(jìn)行開關(guān)，功率密度更高，能效更高，EMI性能得到改善以及系統(tǒng)尺寸減小。如今，SiC已廣泛使用，工程師可在設(shè)計(jì)中使用圖騰柱PFC來提高性能。

最新發(fā)布的采用6.6 kW圖騰柱PFC的OBC評估板為多通道交錯式無橋圖騰柱PFC拓?fù)涮峁┝藚⒖荚O(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)在每個(gè)高速支路包括一個(gè)隔離的高電流、高能效IGBT驅(qū)動器（NCV57000DWR2G）和兩個(gè)高性能SiC MOSFET （NVHL060N090SC1）。此外，低速支路采用兩個(gè)由單片高邊和低邊門極驅(qū)動器IC （FAN7191_F085） 控制的650 V N溝道功率MOSFETSUPERFET?III （NVHL025N65S3）。

圖4： 6.6 kW交錯式圖騰柱PFC評估板

在圖騰柱拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中采用這些高性能SiC MOSFET配置，系統(tǒng)能效達(dá)到97% （典型值）。該設(shè)計(jì)包括硬件過流保護(hù)（OCP）、硬件過壓保護(hù)（OVP）和輔助配電系統(tǒng)（非隔離），可為PFC板和控制板上的每個(gè)電路供電，而無需其它直流源。靈活的控制接口可適應(yīng)各種控制板。

圖5： 6.6 kW交錯式圖騰柱PFC評估板框圖

審核編輯：郭婷