在电动汽车中采用SiC MOSFET进行双向充电

电动汽车 (EV) 以及更普遍的电动汽车的成功在很大程度上取决于为电池充电所需的时间。长期以来被认为是电动汽车的弱点之一，充电时间逐渐减少，快速充电等先进的解决方案仅需几分钟。直接连接到交流电源的车载充电系统 (OBC) 通常每次充电至少需要四个小时。相反，以直流电运行的快速充电系统可以将充电时间缩短到 30 分钟以下。在充电系统中，基于碳化硅 (SiC) 的功率 MOSFET 发挥着重要作用。SiC 是一种宽带隙半导体，与硅相比，它具有高效率和功率密度、高可靠性和耐用性等优点，可降低解决方案的成本和尺寸。

如图 1 所示，尽管有不同的功率要求和技术规格，但两种充电系统都可以从使用 SiC MOSFET 中受益，它可以管理安装在 EV 中的电池的宽电压范围（通常在 200 V 和 800 V 之间），将功率损耗降低多达 40%，将功率密度提高 50%，将有源组件的数量减半，并降低解决方案的总体成本。Wolfspeed 的 1.2kV SiC MOSFET 系列不仅满足这些要求，而且管理双向充电/放电过程，取代了当前充电电路拓扑中使用的 IGBT 晶体管。

图 1：OBC 和快充系统对比

基于 SiC 的两级 AFE 模块

为了处理 EV 电池的宽电压范围和双向充电/放电，Wolfspeed 开发了 22 kW 有源前端 (AFE) 和灵活的 DC/DC 转换器，可同时适应 OBC 充电系统和直流快速充电器。建议的解决方案基于 RDS(on) = 32 mΩ（图 2）的 1,200-V SiC MOSFET，以较低的成本提供非常高的功率密度 (4.6 kW/L) 和效率 (>98.5%)。

图 2：Wolfspeed 设计的简单两级 SiC AFE

与其他标准拓扑结构不同，例如基于六开关 IGBT 的设计（一种简单但效率低得多且功率密集的解决方案）和 T 型转换器（一种更复杂且成本更高的解决方案），SiC AFE 提供了一种简单的控制和驱动器接口，支持以较少的部件数进行双向操作。C3M0032120K 是一款采用开尔文源封装的 1.2kV 32mΩ SiC MOSFET，有助于降低开关损耗和串扰，同时实现 –3 至 15V Vgs 的轻松驱动电压。AFE 设计针对磁性元件的使用进行了优化，实现了高开关频率 (45 kHz)，同时降低了铁芯和绕组的功率损耗。

AFE 还使用能够同时支持三相和单相 PWM 方案、平衡开关损耗并优化热性能、效率和可靠性的数字控制电路。此外，可变直流母线电压控制通过根据检测到的电池电压改变直流母线输出电压并确保 CLLC 接近谐振频率运行，从而实现高系统效率。图 3（顶部）显示了充电（图腾柱操作）和放电（交错操作）时的单相模式波形。图 3（底部）中的波形总谐波失真小于 5%，而是指三相腿 AFE 配置。

图 3：（上）单相交流电测试结果 AC/DC 波形和三相交流电测试结果 AC/DC 波形（下）

与基于 IGBT 的传统解决方案（最大效率为 96%）相比，SiC MOSFET 的效率达到 98.5%，功率损耗降低高达 38%。此外，SiC 允许更低的工作温度，因此可以实现更好的热管理。在最大功率条件 (22 kW) 下，外壳测得 89.4°C，结点处测得 112.4°C（计算值），基板处测得 65°C。图 4 显示了与通过测试获得的结果相关的效率曲线。

图 4：单相充电/放电和三相充电模式的 AFE 效率图

具有 1.2kV SiC MOSFET 的全桥 CLLC DC/DC 转换器

另一个有趣的应用方案是全桥 CLLC DC/DC 转换器，其中 1.2kV SiC MOSFET 可用于单个、两级高效转换器方案（图 5），从而减少部件数量和系统成本. 直流链路侧 (900 V) 的工作电流达到 22.6 A RMS，而电池侧 (800 V) 的工作电流高达 28.5 A RMS。

图 5：基于 SiC 的单个两电平转换器

结合 SiC AFE 模块，全桥 DC/DC 设计受益于 AFE 根据感应到的待充电电池电压提供的可变直流总线电压。这使得 CLLC 可以接近谐振频率运行，从而实现高系统效率。当电池电压变低时，控制将切换到相移模式，从而降低电路增益，而不会在谐振频率范围之外低效运行。在较低的输出电压（略高于 400 V）下，CLLC 初级作为半桥运行，进一步降低系统增益并将谐振转换器保持在高效工作区域。半桥模式在总功率范围上有一些限制，但提供了 98% 的强大峰值效率，即使对于低压电池也是如此。

　　审核编辑：汤梓红