碳化硅技術(shù)如何變革汽車(chē)車(chē)載充電

日趨嚴格的CO₂排放標準以及不斷變化的公眾和企業(yè)意見(jiàn)在加速全球電動(dòng)汽車(chē)(EV)的發(fā)展。這為車(chē)載充電器(OBC)帶來(lái)在未來(lái)幾年巨大的增長(cháng)空間，根據最近的趨勢，到2024年的復合年增長(cháng)率(CAGR(TAM))估計將達到37.6%或更高。對于全球OBC模塊正在設計中的汽車(chē)，提高系統能效或定義一種高度可靠的新拓撲結構已成為迫在眉睫的挑戰。

用于單相輸入交流系統的簡(jiǎn)單功率因數校正(PFC)拓撲結構(圖1)是個(gè)傳統的單通道升壓轉換器。該方案包含一個(gè)用于輸入交流整流的二極管全橋和一個(gè)PFC控制器，以增加負載的功率因數，從而提高能效并減少施加在交流輸入電源上的諧波。這種流行的PFC升壓拓撲的優(yōu)點(diǎn)是設計簡(jiǎn)單，實(shí)施成本低且性能可靠。然而，二極管橋式整流器的導通損耗是不可避免的，且這將不支持車(chē)輛向AC電網(wǎng)提供電能的雙向運行。采用多通道交錯式傳統升壓轉換器，對升壓電路進(jìn)行多次迭代，可改善某些系統性能參數，但并不能省去輸入二極管橋。

圖1 傳統的PFC

仿真數據(圖2)表面，在PFC塊中，輸入二極管橋的功率損耗比其他所有元器件損耗都要大。

圖2 PFC中的功率損耗分布

為了提高OBC系統的能效，人們研究了不同的PFC拓撲結構，包括傳統PFC、半無(wú)橋PFC、雙向無(wú)橋PFC和圖騰柱無(wú)橋PFC。其中，圖騰柱PFC(圖3)由于減少了元器件數量，降低了導通損耗，且能效高，因而廣受歡迎。

圖3 無(wú)橋圖騰柱PFC

傳統的硅(Si) MOSFET很難在圖騰柱PFC拓撲中的連續導通模式(CCM)下工作，因為體二極管的反向恢復特性很差。碳化硅(SiC) MOSFET采用全新的技術(shù)，比Si MOSFET具有更勝一籌的開(kāi)關(guān)性能、極小的反向恢復時(shí)間、低導通電阻RDS(on)和更高的可靠性。此外，緊湊的芯片尺寸確保了器件的低電容和低門(mén)極電荷(QG)。

設計OBC的另一個(gè)挑戰是，車(chē)輛中分配給模塊的空間有限。在功率要求和電池電壓不斷提高的同時(shí)，設計既能滿(mǎn)足機械尺寸要求又能提供所需輸出功率的OBC變得越來(lái)越困難。使用當前用于OBC的技術(shù)，工程師們不得不在功率、尺寸和能效之間進(jìn)行權衡，而SiC正在突破這些設計障礙。工程師使用具有更高開(kāi)關(guān)頻率的SiC，可使用更小的電感器，仍能達到以前相同的電感器紋波電流要求。

在OBC系統中使用SiC MOSFET的好處是能夠以更高的頻率進(jìn)行開(kāi)關(guān)，功率密度更高，能效更高，EMI性能得到改善以及系統尺寸減小。如今，SiC已廣泛使用，工程師可在設計中使用圖騰柱PFC來(lái)提高性能。

安森美半導體方案中心最新發(fā)布的采用6.6 kW圖騰柱PFC的OBC評估板為多通道交錯式無(wú)橋圖騰柱PFC拓撲提供了參考設計。該設計在每個(gè)高速支路包括一個(gè)隔離的高電流、高能效IGBT驅動(dòng)器(NCV57000DWR2G)和兩個(gè)高性能SiC MOSFET (NVHL060N090SC1)。此外，低速支路采用兩個(gè)由單片高邊和低邊門(mén)極驅動(dòng)器IC (FAN7191_F085) 控制的650 V N溝道功率MOSFETSUPERFET^?III (NVHL025N65S3)。

圖4 6.6 kW交錯式圖騰柱PFC評估板

在圖騰柱拓撲結構中采用這些高性能SiC MOSFET配置，系統能效達到97% (典型值)。該設計包括硬件過(guò)流保護(OCP)、硬件過(guò)壓保護(OVP)和輔助配電系統(非隔離)，可為PFC板和控制板上的每個(gè)電路供電，而無(wú)需其它直流源。靈活的控制接口可適應各種控制板。

圖5 6.6 kW交錯式圖騰柱PFC評估板框圖