碳化硅 MOSFET 取代电动汽车双向充电器中的 IGBT

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，电动汽车一直被认为是弱点之一，充电时间逐渐缩短，采用快速充电等先进解决方案，只需几分钟。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减少到 30 分钟以内。在充电系统中，基于碳化硅 (SiC) 的功率 MOSFET 发挥着重要作用。碳化硅是一种宽带隙半导体，与硅相比，具有高效率和功率密度、高可靠性和耐用性等优势，可降低解决方案的成本和尺寸。

如图 1 所示，尽管具有不同的功率要求和技术规格，两种充电系统都可以受益于使用 SiC MOSFET，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），减少高达 40% 的功率损耗，将功率密度提高 50%，将有源组件的数量减半，并降低解决方案的整体成本。Wolfspeed 的 1.2-kV 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与快充系统对比

基于 SiC 的两级 AFE 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，可适用于 OBC 充电系统和 DC 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

与其他标准拓扑不同，例如基于六开关 IGBT 的设计（一种简单但效率低得多的功率密集型解决方案）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程序接口，以较少的部件数支持双向操作。C3M0032120K 是一款采用开尔文源极封装的 1.2kV 32mΩ SiC MOSFET，有助于降低开关损耗和串扰，同时支持 –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，可实现高开关频率 (45 kHz)，同时磁芯和绕组的功率损耗更低。

AFE 还使用能够支持三相和单相 PWM 方案的数字控制电路，平衡开关损耗并优化热性能、效率和可靠性。此外，可变直流链路电压控制通过根据感测到的电池电压改变直流总线输出电压并确保 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）中的波形的总谐波失真小于 5%，而是指三相桥臂 AFE 配置。

图 3：（顶部）单相 AC 的测试结果 AC/DC 波形（顶部）和三相 AC 的测试结果 AC/DC 波形（底部）

与基于IGBT的传统解决方案（最高效率为96%）相比，SiC MOSFET的效率达到了98.5%，降低了高达38%的功率损耗。此外，碳化硅可实现更低的工作温度，从而实现更好的热管理。在最大功率条件 (22 kW) 下，实测外壳温度为 89.4°C，结点温度为 112.4°C（计算值），基板温度为 65°C。图 4 显示了与测试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 1.2-kV SiC MOSFET 可用于单个两电平高效转换器方案（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 根据检测到的要充电的电池电压提供的可变 DC 总线电压。这使得 CLLC 能够在接近谐振频率的情况下运行，从而实现高系统效率。当电池电压变低时，控制将切换到移相模式，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（刚好高于 400 V）时，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有效的工作区域。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。

图 6 显示了与全桥配置相关的充电和放电波形。通过检查它们，可以观察到换向规律（低过冲），结合零电压开通和低电流关断，从而提高效率。

图 6：基于 1.2-kV SiC MOSFET 的全桥拓扑的充放电 DC/DC 波形

DC/DC 转换器在充电期间的效率达到最大值 98.5%，并保持在 97% 以上，直到进入半桥模式（图 7）。请注意，对于充电期间较低的输出电压值，半桥模式如何限制效率和输出功率。在放电过程中获得了类似的曲线。

图 7：用于充电和放电的全桥和半桥模式的 DC/DC 转换器效率图

CLLC MOSFET 在 480 VDC @ 17.28 kW 测试中记录的最高损耗和温度，计算功率损耗为 42 W，外壳温度为 97.8°C，计算结温为 116.7°C。

结论

Wolfspeed 的 22 kW AC/DC 和 DC/DC 转换器展示了 Gen3 SiC MOSFET 的高性能，适用于汽车车载充电器、快速充电器和储能应用。可将可变直流母线控制、调频与移相组合、半桥/全桥拓扑等创新控制方式结合，实现顶级效率和功率密度。

Wolfspeed 提供许多其他参考设计和额外的支持工具，包括设计原理图和布局文件、BOM、首选磁性材料的信息、应用笔记、培训演示和一些应要求的固件。此外，SpeedFit 模拟器程序有助于根据实验室数据快速计算功率器件的损耗并估计结温，这些拓扑结构从简单的降压和升压转换器到具有谐振 DC/DC 转换器的完全双向图腾柱 PFC。

审核编辑 黄昊宇