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          在單向車載充電器應(yīng)用中使用碳化硅器件進(jìn)行電源設(shè)計(jì)

          作者: 時(shí)間:2022-11-14 來源:21ic 收藏

          電動(dòng)汽車 (OBC) 使電動(dòng)汽車能夠在任何有交流電源的地方充電。根據(jù)功率級別和功能,它們可以采用多種形式。充電功率從電動(dòng)踏板車等應(yīng)用中的不到 2 kW 到高端電動(dòng)汽車中的 22 kW 不等。傳統(tǒng)上,充電功率是單向的。一個(gè)新的趨勢是在 OBC 中添加雙向功能,使 EV 可以成為移動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)。本文將僅關(guān)注單向 OBC,并討論碳化硅在 2 kW 以上高功率應(yīng)用中的優(yōu)勢。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202211/440367.htm

          來自電網(wǎng)的交流電壓和電流對 OBC 設(shè)計(jì)施加了限制。美國的標(biāo)準(zhǔn)家用插座可提供高達(dá) 1.92 kW(120 VAC,15 A)的功率,而 208 或 240-VAC 美國分相系統(tǒng)可提供高達(dá) 19.2 kW 的功率,具體取決于分支斷路器的容量。歐盟的標(biāo)準(zhǔn)家用電壓為 230 VAC,并提供三相市電。

          顯示了低、中、高功率obc的典型用途。在印度和中國,低功耗obc在印度和中國的電動(dòng)自行車和低功耗電動(dòng)汽車中很受歡迎。目前,中等功率市場(2~7.4 kW)是最受歡迎的許多常見的電池電動(dòng)汽車在歐洲,和美國中型電池使用單相交流和充電電動(dòng)汽車電池約400 V,但隨著長期需求持續(xù)增加,市場傾向于800伏電池與高功率三相電池11 kW和22 kW。對于給定的功率水平,它們可以提供更快的充電時(shí)間和更低的電流。

          無論電網(wǎng)功率如何,AC-DC OBC 中的主要構(gòu)建模塊都是功率因數(shù)校正 (PFC) 模塊和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。主要的設(shè)計(jì)權(quán)衡是在功率密度、效率和成本之間。本文分解了每個(gè)功率級別并討論了每個(gè)類別的設(shè)備選擇。SiC MOSFET 和二極管可以提供比 Si 器件更好的效率和功率密度。SiC 的主要機(jī)會(huì)在于中高功率 (>3 kW) OBC。

          低功耗 OBC 架構(gòu) (<2 kW)

          在市場的最低端,當(dāng)成本最優(yōu)先時(shí),硅MOSFETs和二極管是首選,盡管它們在高功率應(yīng)用方面與碳化硅相比有缺點(diǎn)。顯示了一個(gè)增壓PFC和一個(gè)半橋式LLC轉(zhuǎn)換器;這種組合適用于低功耗、成本敏感的OBC應(yīng)用程序。通常情況下,該結(jié)構(gòu)從單相120-V/240-VAC電源提供一個(gè)相對較低壓的電池(<60 V),可以達(dá)到~93%的峰值系統(tǒng)效率。

          中功率成本敏感的OBC架構(gòu)(3.3-7.4 kW)

          對于中等功率架構(gòu),設(shè)計(jì)人員可以在成本敏感型和高效率選項(xiàng)之間進(jìn)行選擇。中等功率成本敏感型設(shè)計(jì)使用與以前相同的 PFC 拓?fù)?,但用全橋設(shè)計(jì)取代了半橋 LLC DC/DC 轉(zhuǎn)換器,以支持 400V 電池。使用更高的電池電壓,可以減少輸出整流器的功率損耗。因此,效率比上面討論的低功率 OBC 的效率有所提高,峰值效率約為 94%。在低成本設(shè)計(jì)的有源開關(guān)插座中,Si MOSFET 仍將占主導(dǎo)地位。這種低成本設(shè)計(jì)中 SiC 的主要機(jī)會(huì)是 PFC 中的 SiC 二極管。 SiC 二極管的零反向恢復(fù)電流使 SiC 能夠替代 Si 快速二極管。由于 LLC 的軟開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),一個(gè) 600V 的硅二極管在輸出側(cè)就足夠了。在這種情況下,Vf 比開關(guān)性能更重要。

          中功率、高效 OBC 架構(gòu) (3.3–7.4 kW)

          傳統(tǒng) PFC 中的二極管橋會(huì)浪費(fèi)功率,因此高效架構(gòu)將其替換為圖騰柱 PFC。圖騰柱 PFC 通過將傳導(dǎo)路徑中的半導(dǎo)體器件數(shù)量從三個(gè)減少到兩個(gè)來提高效率。圖騰柱 PFC 一直是許多理論研究的主題,但由于 Si MOSFET 體二極管的換向,Si MOSFET 將其使用限制在臨界導(dǎo)通模式 (CRM) 操作和低功率應(yīng)用中。SiC MOSFET 允許在連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 下運(yùn)行,以實(shí)現(xiàn)高效率、低 EMI 和高功率密度。圖騰柱 PFC 現(xiàn)在在高效設(shè)計(jì)中被普遍接受。一種高效的中等功率設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn) >98.5% 的峰值 AC/DC 效率。整個(gè)系統(tǒng)的峰值效率約為 96%。

          例如,對于 3.3 kW 設(shè)計(jì),可以在 PFC 級中使用 60 mΩ、650 V SiC MOSFET。四個(gè)這樣的器件可用于 DC/DC 側(cè),輸出端有 Si 二極管。對于 6.6-kW 設(shè)計(jì),可以在 PFC 級中并聯(lián)使用兩對 60-mΩ、650-V SiC MOSFET,也可以使用單對 25-mΩ 器件。

          更高功率的 OBC 設(shè)計(jì)

          在 11 kW 或 22 kW 等更高功率水平下,電池電壓可以是 400 V 或 800 V,但如前所述,市場正朝著 800 V 發(fā)展,從高性能車輛開始。

          大功率設(shè)計(jì)采用三相電源;PFC 和 DC/DC 級的效率均 > 98%,總效率約為 96% 至 97%。

          通過將三個(gè)單相 3.7-kW 設(shè)計(jì)并聯(lián)組合,可以為 400-V 總線生產(chǎn) 11-kW OBC;功率密度會(huì)更低,成本會(huì)比從頭開始的方法更高,但重復(fù)使用現(xiàn)有設(shè)計(jì)可能會(huì)縮短上市時(shí)間。最佳結(jié)果將從具有 800 V 總線的優(yōu)化三相設(shè)計(jì)中獲得。

          Vienna 整流器是三相功率校正的熱門選擇,因?yàn)樗哂懈咝?、CCM 操作、三電平開關(guān)和降低功率器件上的電壓應(yīng)力。

          在全 SiC 設(shè)計(jì)中,11 kW Vienna 整流器使用六個(gè) E3M0060065K SiC MOSFET 和六個(gè) E4D20120H 二極管。二極管是 1,200-V 器件;MOSFET 可以是 650-V 器件,因?yàn)榫S也納整流器的三電平開關(guān),它們只能看到一半的總線電壓 (400 V)。

          全橋 LLC 在輸出端使用四個(gè) 1,200-V SiC MOSFET 和四個(gè) 1,200-V SiC 二極管。800-V 總線需要 75-mΩ 或 40-mΩ R DS(on)的 1,200-V SiC MOSFET ;1,200-V 的 Si MOSFET 在此應(yīng)用中沒有競爭力,而 SiC 輸出二極管比相應(yīng)的 Si 器件更受歡迎,因?yàn)樗哂懈偷膲航岛透玫拈_關(guān)性能。

          對于 22 kW OBC,可以使用三個(gè)并聯(lián)的 7.4 kW OBC,但同樣,基于帶有 SiC MOSFET 和 SiC 二極管的 Vienna 整流器的解決方案是更好的方法。該設(shè)計(jì)與 11kW OBC 的設(shè)計(jì)相似,但更高的功率輸出需要 6 個(gè)較低 R DS(on) MOSFET (25-mΩ R DS(on) ) 和 6 個(gè)更高額定電流的 SiC 二極管。 PFC 和 DC/DC。

          總結(jié):按應(yīng)用劃分的 SiC 與 Si

          SiC 在 OBC 中的效率和功率密度方面比 Si 器件提供更好的性能。OBC 設(shè)計(jì)人員何時(shí)應(yīng)考慮使用 SiC 器件而不是 Si?

          關(guān)于 Wolfspeed SiC 器件

          Wolfspeed SiC MOSFET 通過提供具有低導(dǎo)通電阻、極低輸出電容和低源極電感的器件,完美融合了低開關(guān)損耗和低導(dǎo)通損耗,從而解決了許多電源設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。與基于硅的解決方案相比,Wolfspeed SiC 功率器件技術(shù)能夠提高系統(tǒng)功率密度、更高的開關(guān)頻率、減少元件數(shù)量以及減小電感器、電容器、濾波器和變壓器等元件的尺寸。



          關(guān)鍵詞: 車載充電器 碳化硅器件

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