設(shè)計(jì)基于SiC的電動(dòng)汽車直流快速充電機(jī)

電動(dòng)汽車（EV）直流快速充電機(jī)繞過(guò)安裝在電動(dòng)汽車上的車載充電機(jī)，直接為電池提供快速直流充電。如下圖所示，直流快速充電機(jī)由一級(jí) AC-DC 和一級(jí) DC-DC 組成：

圖 1. 直流快速充電機(jī)由一級(jí) AC-DC 和一級(jí) DC-DC 組成

在優(yōu)化系統(tǒng)效率的同時(shí)最大限度縮短充電時(shí)間是直流快速充電機(jī)的主要關(guān)注點(diǎn)。在設(shè)計(jì)此類系統(tǒng)時(shí)，必須考慮器件選型、電壓范圍和負(fù)載要求、運(yùn)行成本、溫度、堅(jiān)固性和環(huán)境保護(hù)，以及可靠性。

相比傳統(tǒng)硅（Si）和 IGBT 器件，基于碳化硅（SiC）的器件由于具有工作溫度更高、導(dǎo)通損耗更小、漏電流更低、浪涌耐受能力更強(qiáng)、最大額定電壓，以及整體功率密度更高的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)更好的性能。但是，要充分利用這些優(yōu)勢(shì)，則必須對(duì)功率變換器拓?fù)溥M(jìn)行優(yōu)化。

本文旨在探討數(shù)種考慮用于快速充電機(jī)系統(tǒng)的功率變換器拓?fù)浜鸵恍┛衫玫墓ぞ?資源，以及包含多項(xiàng)關(guān)鍵比較的匯總表格。

無(wú)論是在家庭或公共區(qū)域、高速公路通道還是為車隊(duì)充電，對(duì)交流電網(wǎng)的功率需求可從 2.2 kW 一路升到 1 MW。此類電網(wǎng)系統(tǒng)通常設(shè)計(jì)為 20 - 50 kW 的 AC-DC 和 DC-DC 電源塊，可根據(jù)充電位置和車輛類型進(jìn)行擴(kuò)展，以滿足更高或更低的不同需求。功率級(jí)別和系統(tǒng)的一般疊層方式如下圖所示：

圖 2. 功率級(jí)別和系統(tǒng)的一般疊層方式

接下來(lái)，在設(shè)計(jì)時(shí)需要分析直流快速充電應(yīng)用的實(shí)用性。首先，此類充電機(jī)安裝在需要寬電池電壓范圍和寬負(fù)載曲線的公共區(qū)域。例如，目前道路上的大多數(shù)電動(dòng)汽車的電池電壓均在 350 V - 450 V 范圍內(nèi)，而新車型則采用 800 V 電池。此外，每一款電動(dòng)汽車電池都有不同的充電曲線，這意味著電動(dòng)汽車充電機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)要滿足寬負(fù)載曲線和高滿載能力的需求。分析客戶行為也很重要，因?yàn)榕c家用充電機(jī)不同，車輛幾乎始終會(huì)行駛到充電位置，因此此時(shí)的需求轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)熱電池和快速上升到峰值充電功率。您可以在左上圖中看到這一點(diǎn)，以及一些電池制造商所建議的電池容量達(dá)到 80% 時(shí)充電速率下降。

對(duì)于商業(yè)運(yùn)營(yíng)商而言，運(yùn)營(yíng)成本對(duì)投資至關(guān)重要。舉例來(lái)說(shuō)，對(duì)于一個(gè) 360 kW 充電站，假設(shè)充電站每天運(yùn)營(yíng) 12 小時(shí)，充電單價(jià)為 25 美分/千瓦小時(shí)，如果充電效率提高 2%，每個(gè)充電站每天可節(jié)省約 22 美元。電動(dòng)車市場(chǎng)的動(dòng)態(tài)特性也推動(dòng)充電系統(tǒng)對(duì)新車型的高度靈活性和更小的安裝占地面積的需求。

下面我們總結(jié)了快速充電機(jī)系統(tǒng)的系統(tǒng)目標(biāo)：

• 寬電池電壓范圍（350 V - 800 V）

• 寬負(fù)載曲線（單輛車/多輛車）和電池緩沖器（用于高性能車輛）

• 針對(duì)滿負(fù)載充電進(jìn)行優(yōu)化

• 實(shí)現(xiàn)雙向性，滿足回饋電網(wǎng)應(yīng)用的需求

• 靈活，可適應(yīng)新行業(yè)趨勢(shì)/標(biāo)準(zhǔn)

• 安裝占地面積小

• 降低運(yùn)營(yíng)成本，實(shí)現(xiàn)盈利

• 堅(jiān)固耐用，工作溫度范圍廣

記住上述要求和設(shè)計(jì)目標(biāo)，一起來(lái)了解一些功率拓?fù)洹?/span>

#1

AC-DC 轉(zhuǎn)換

拓?fù)?1 -（AC-DC）：三相兩電平雙向有源前端 AC/DC 變換器

第一個(gè) AC/DC 方案采用簡(jiǎn)單的六開關(guān)、兩電平有源前端（AFE）配置，包含六個(gè)功率可達(dá) 25 kW 的 Wolfspeed 1200V SiC MOSFET（如圖 3 所示）?？傮w而言，與 IGBT 器件對(duì)比，可觀察到 SiC 組件實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)改進(jìn)（另請(qǐng)參閱圖 3）。

圖 3. 三相兩電平雙向 AFE（上）和 IGBT 對(duì)比 SiC（下）

表 1 描述與此配置相關(guān)的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)。

表 1. 三相兩電平 AFE 的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)

采用六個(gè) SiC MOSFET，例如 Wolfspeed 的 32 mΩ C3M0032120K，可達(dá)到高效率（并在提高功率密度的同時(shí)降低成本）。另一項(xiàng)非獨(dú)立方案是使用可提供 25 kW 的單個(gè) CCB021M12FM3 WolfPACK 模塊。并聯(lián)使用附加模塊將使額定功率翻倍至 50 kW。

設(shè)計(jì)資源

參考設(shè)計(jì) CRD22AD12N 展示使用單相或三相（電網(wǎng)供電）輸入的系統(tǒng)，在 22 kW 時(shí)具有 650 - 800 VDC 的非隔離輸出，運(yùn)行峰值效率超過(guò) 98.5%。

帶 AC/DC 配置的參考設(shè)計(jì) CRD25AD12N-FMC 包含以三相輸入和 800 VDC 輸出運(yùn)行的有源整流器。該排列結(jié)構(gòu)利用 CCB021M12FM3 WolfPACK? 模塊，可提供高達(dá) 25 kW 的功率，峰值效率超過(guò) 97%，同時(shí)還通過(guò)交錯(cuò)多個(gè)功率達(dá) 25 kW 的 AFE，提供可提升功率水平的可擴(kuò)展能力。

拓?fù)?2 -（AC-DC）：T-Type雙向 AC/DC 變換器

與六開關(guān)方法相比，利用 1,200 V SiC MOSFET 的 T 型三電平 AC/DC 轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)更低的開關(guān)損耗，雖然在快速充電應(yīng)用中滿負(fù)載運(yùn)行時(shí)導(dǎo)通損耗占主導(dǎo)地位。

圖 4 顯示一個(gè)雙向配置，在外部部分使用六個(gè) 1,200 V 32 mΩ SiC MOSFET，在中間部分使用另外六個(gè) 650 V 45 mΩ SiC MOSFET（導(dǎo)通電阻 RDS(on) 隨溫度升高變化小以及良好的滿載性能）。在中間位置使用 SiC 也有利于快速充電應(yīng)用，因?yàn)樘蓟璧? RDS(on) 與 Tj 曲線平穩(wěn)，可在各工作溫度下滿載運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)效率。

圖 4. T -Type AC/DC 轉(zhuǎn)換器

表 2 列出與此實(shí)施相關(guān)的其他優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)。

表 2. T -Type AC/DC 轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)

拓?fù)?3 -（AC-DC）：NPC/ANPC 雙向 AC/DC 變換器

最后，中性點(diǎn)–鉗位（NPC）或有源鉗位 NPC 拓?fù)浞浅］p松地完成了從傳統(tǒng) Si 到 SiC 的過(guò)渡。在此設(shè)計(jì)中，低壓 MOSFET 可以與肖特基二極管結(jié)合使用，從而降低 MOSFET 上的應(yīng)力和開關(guān)損耗（與上述拓?fù)渲忻枋龅膬呻娖椒椒ㄏ啾龋?/span>

圖 5 展示 NPC 配置示例，其中包含 12 個(gè) 650 V、25 mΩ SiC MOSFET 和6個(gè) 650 V、16 A SiC 肖特基勢(shì)壘二極管。在使用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，需要權(quán)衡器件數(shù)量、成本和復(fù)雜性較高的因素。

圖 5. NPC AC/DC 轉(zhuǎn)換器拓?fù)?/span>

表 3 列出與此實(shí)施相關(guān)的其他優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)。

表 3. NPC/ANPC AC/DC 轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)

AC-DC 拓?fù)涞钠骷x擇

對(duì)于 AC/DC 變換器應(yīng)用，在確定設(shè)計(jì)中使用的關(guān)鍵器件時(shí)必須做出一些抉擇。為減少串?dāng)_并最大限度提高效率，設(shè)計(jì)人員應(yīng)選擇最高的 Cgs/Cgd 比率，同時(shí)使用負(fù)柵極驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)行關(guān)斷。滿載和高功率或連續(xù)功率運(yùn)行的設(shè)計(jì)應(yīng)該配置有利于降低導(dǎo)通損耗的器件。在針對(duì)硬開關(guān)、高電流和高頻操作進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選擇具有低電感和開爾文引腳連接的器件封裝，例如 Wolfspeed K 和 J 封裝。此外，選擇最低的 Qrr 可縮短反向恢復(fù)時(shí)間，降低損耗。

表 4 顯示上述 AC/DC 拓?fù)涞钠骷?shù)量對(duì)比。

表 4. AC/DC 快速充電機(jī)拓?fù)淇偨Y(jié)

#2

DC-DC 轉(zhuǎn)換

拓?fù)?1 -（DC-DC）：20 - 30 kW 兩電平 LLC 雙向 DC/DC 變換器

圖 6 顯示具有雙向流動(dòng)設(shè)計(jì)和總共 12 個(gè) SiC MOSFET 的兩電平 LLC 電路示例，該電路可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、靈活的控制，具有高效率和磁性元件小的特點(diǎn)。在這種用于直流快速充電的配置中，繼電器可以針對(duì) 400 V 和 800 V 操作進(jìn)行切換，滿足低或高充電電流的需求。一個(gè)不足之處在于：LLC 設(shè)計(jì)通常具有一個(gè)狹窄的最佳應(yīng)用點(diǎn)，需要謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)諧振回路。

圖 6. 20 - 30 kW 兩電平 LLC 雙向 DC/DC 轉(zhuǎn)換器

表 5 列出與此實(shí)施相關(guān)的其他優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)。

表 5. 兩電平 LLC DC/DC 轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)

拓?fù)?2 -（DC-DC）：20 - 30 kW 兩電平 LLC 級(jí)聯(lián)雙向 DC/DC 變換器

圖 7 顯示具有雙向流動(dòng)設(shè)計(jì)和總共 12 個(gè) MOSFET 的兩電平 LLC 級(jí)聯(lián)電路示例，該電路支持從傳統(tǒng) Si 組件輕松過(guò)渡到 SiC（電壓為 650 V）。盡管使用 SiC 器件可提升效率，但該結(jié)構(gòu)也存在一些挑戰(zhàn)（請(qǐng)參閱表 6）。

圖 7. 20 - 30 kW 兩電平 LLC 級(jí)聯(lián)雙向 DC/DC 轉(zhuǎn)換器

表 6. 兩電平 LLC 級(jí)聯(lián) DC/DC 轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)

CRD-22DD12N 是 Wolfspeed 的 22 kW 參考設(shè)計(jì)，這為利用 1200 V SiC MOSFET 的兩電平 LLC DC/DC 變換器設(shè)計(jì)確立了良好開端。該設(shè)計(jì)在電池電壓高達(dá) 800 V 時(shí)可實(shí)現(xiàn) 22 kW 的功率，并支持靈活的雙向功率傳輸，同時(shí)還能通過(guò)靈活的全橋和半橋方案來(lái)調(diào)整增益和效率。

通常，在設(shè)計(jì) LLC 變換器時(shí)，要考慮的一點(diǎn)是選擇合適的 SiC MOSFET。以下指南說(shuō)明了如何為 LLC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇恰當(dāng) MOSFET。

• MOSFET 輸出電容（以及充電所需時(shí)間）對(duì)使用零電壓開關(guān)的變換器性能有著極大的影響力，具體如 LLC 電路所示。最理想的情況是，在 VDS 較低時(shí)，選擇 Coss 值最低的 SiC MOSFET。

• LLC 變換器的關(guān)斷開關(guān)損耗與磁化電流成正比，而選擇較小 Coss 的 MOSFET 可以使得 LLC 設(shè)計(jì)的磁化電流通常較小，因此關(guān)斷時(shí)的開關(guān)損耗控制得很好。

• 由于 LLC 中的關(guān)斷是硬開關(guān)，因此最好選擇帶有開爾文引腳的封裝，如 TO-247-4 或 TO-263-7 封裝，與 3 引線封裝相比，可降低高達(dá) 4 倍的開關(guān)損耗。此外，對(duì)于高頻應(yīng)用來(lái)說(shuō)，反向恢復(fù)的損耗可能很大，因此最好選擇反向恢復(fù)時(shí)間最短的元件。

拓?fù)?3 -（DC-DC）：20 - 30 kW 雙有源橋（DAB）雙向 DC/DC變換器

圖 8 顯示 20 - 30 kW 雙有源橋（移相）DC/DC 變換器示例，該示例提供了具有梯形電流曲線的快速充電解決方案（與 LLC 電路中的正弦曲線相比）。該拓?fù)涞膬?yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)請(qǐng)參閱表 7。

圖 8. 20 - 30 kW DAB 雙向 DC/DC 轉(zhuǎn)換器

表 7. DAB DC/DC 轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)

拓?fù)?4 -（DC-DC）：30 - 60 kW 三相 LLC 單向 DC/DC 轉(zhuǎn)換器

在設(shè)計(jì) 30 - 60 kW 范圍內(nèi)的 DC/DC 變換器時(shí)，還需要考量存在的一些額外挑戰(zhàn)，例如 DC-link和輸出電容器上的高紋波電流、高輸出濾波器體積（對(duì)于 LLC 電路），以及初級(jí)側(cè) MOSFET 上的高電流水平。為了演示在 30 kW 時(shí)這些問題的解決方案，Wolfspeed 創(chuàng)建了一個(gè)使用三相交錯(cuò) LLC 拓?fù)涞膮⒖荚O(shè)計(jì) CRD-30DD12N-K。60 kW 系統(tǒng)也可以使用分立式器件進(jìn)行設(shè)計(jì)，但需要考慮額外的考慮因素，例如有關(guān)器件均流和寄生參數(shù)的對(duì)稱設(shè)計(jì)。

使用功率模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)有助于簡(jiǎn)化其中一些挑戰(zhàn)，方法是實(shí)現(xiàn)電感匹配、散熱設(shè)計(jì)已簡(jiǎn)化且在各種功率級(jí)別下可擴(kuò)展的解決方案，并支持將現(xiàn)有的全橋拓?fù)鋽U(kuò)展到更高的功率級(jí)別。

圖 9 顯示 CRD-30DD12N-K 中使用的三相交錯(cuò) LLC DC/DC 變換器拓?fù)?，而?8 描述了相關(guān)優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)。

圖 9. 30 - 60 kW 三相 LLC 單向 DC/DC 變換器

表 8. 三相 LLC DC/DC 轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)

圖 10 和表 9 展示了備選的 50 - 60 kW 兩電平 LLC 諧振變換器配置，該配置在初級(jí)上使用半橋 Wolfspeed WolfPACK 功率模塊，在次級(jí)上使用 30 A 肖特基二極管。

圖 10. 50 - 60kW 兩電平 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器

表 9. 兩電平LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)

表 10 和表 11 顯示了上述 DC/DC 拓?fù)涞慕M件數(shù)量對(duì)比。

表 10. DC/DC 20 - 30 kW 快速充電機(jī)拓?fù)淇偨Y(jié)

表 11. DC/DC 50 kW+ 快速充電機(jī)拓?fù)淇偨Y(jié)

#3

總結(jié)

總而言之，存在多種用于快速充電設(shè)計(jì)的變換器拓?fù)?，可?shí)現(xiàn)模塊化、雙向性、滿載運(yùn)行效率和高功率密度。SiC 技術(shù)是此類快速充電器設(shè)計(jì)和變換器拓?fù)涞暮诵?，可?shí)現(xiàn)最佳性能，同時(shí)確保系統(tǒng)持久耐用，穩(wěn)定可靠。本文中描述的大多數(shù)拓?fù)涠伎墒褂?Wolfspeed SpeedFit 2.0 設(shè)計(jì)模擬器? 輕松模擬。

Wolfspeed SpeedFit 2.0 設(shè)計(jì)模擬器，敬請(qǐng)?jiān)L問：

https://www.wolfspeed.com/tools-and-support/power/speedfit

英文原稿，敬請(qǐng)?jiān)L問：

https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/designing-with-silicon-carbide-sic-in-electric-vehicle-dc-fast-chargers/