碳化硅 MOSFET 取代電動(dòng)汽車雙向充電器中的 IGBT

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，電動(dòng)汽車一直被認(rèn)為是弱點(diǎn)之一，充電時(shí)間逐漸縮短，采用快速充電等先進(jìn)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(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)間減少到 30 分鐘以內(nèi)。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(dǎo)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(shì)，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(shù)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(dá) 40% 的功率損耗，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(dāng)前充電電路拓?fù)渲惺褂玫?IGBT 晶體管。

圖1：OBC與快充系統(tǒng)對(duì)比

基于 SiC 的兩級(jí) 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(zhuǎn)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(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單兩級(jí) SiC AFE

與其他標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)洳煌缁诹_關(guān) IGBT 的設(shè)計(jì)（一種簡(jiǎn)單但效率低得多的功率密集型解決方案）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)程序接口，以較少的部件數(shù)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(guān)損耗和串?dāng)_，同時(shí)支持 –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，可實(shí)現(xiàn)高開關(guān)頻率 (45 kHz)，同時(shí)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(shù)字控制電路，平衡開關(guān)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(jù)感測(cè)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(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(cè)試結(jié)果 AC/DC 波形（頂部）和三相 AC 的測(cè)試結(jié)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(dá)到了98.5%，降低了高達(dá)38%的功率損耗。此外，碳化硅可實(shí)現(xiàn)更低的工作溫度，從而實(shí)現(xiàn)更好的熱管理。在最大功率條件 (22 kW) 下，實(shí)測(cè)外殼溫度為 89.4°C，結(jié)點(diǎn)溫度為 112.4°C（計(jì)算值），基板溫度為 65°C。圖 4 顯示了與測(cè)試結(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 1.2-kV SiC MOSFET 可用于單個(gè)兩電平高效轉(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)檢測(cè)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(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)高系統(tǒng)效率。當(dāng)電池電壓變低時(shí)，控制將切換到移相模式，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（剛好高于 400 V）時(shí)，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(qiáng)大峰值效率，即使對(duì)于低壓電池也是如此。

圖 6 顯示了與全橋配置相關(guān)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(jié)合零電壓開通和低電流關(guān)斷，從而提高效率。

圖 6：基于 1.2-kV SiC MOSFET 的全橋拓?fù)涞某浞烹?DC/DC 波形

DC/DC 轉(zhuǎn)換器在充電期間的效率達(dá)到最大值 98.5%，并保持在 97% 以上，直到進(jìn)入半橋模式（圖 7）。請(qǐng)注意，對(duì)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(zhuǎn)換器效率圖

CLLC MOSFET 在 480 VDC @ 17.28 kW 測(cè)試中記錄的最高損耗和溫度，計(jì)算功率損耗為 42 W，外殼溫度為 97.8°C，計(jì)算結(jié)溫為 116.7°C。

結(jié)論

Wolfspeed 的 22 kW AC/DC 和 DC/DC 轉(zhuǎn)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(chǔ)能應(yīng)用?？蓪⒖勺冎绷髂妇€控制、調(diào)頻與移相組合、半橋/全橋拓?fù)涞葎?chuàng)新控制方式結(jié)合，實(shí)現(xiàn)頂級(jí)效率和功率密度。

Wolfspeed 提供許多其他參考設(shè)計(jì)和額外的支持工具，包括設(shè)計(jì)原理圖和布局文件、BOM、首選磁性材料的信息、應(yīng)用筆記、培訓(xùn)演示和一些應(yīng)要求的固件。此外，SpeedFit 模擬器程序有助于根據(jù)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)快速計(jì)算功率器件的損耗并估計(jì)結(jié)溫，這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)從簡(jiǎn)單的降壓和升壓轉(zhuǎn)換器到具有諧振 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的完全雙向圖騰柱 PFC。

審核編輯 黃昊宇