設計基于SiC的電動(dòng)汽車(chē)直流快速充電機

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

圖 1. 直流快速充電機由一級 AC-DC 和一級 DC-DC 組成

在優(yōu)化系統效率的同時(shí)最大限度縮短充電時(shí)間是直流快速充電機的主要關(guān)注點(diǎn)。在設計此類(lèi)系統時(shí)，必須考慮器件選型、電壓范圍和負載要求、運行成本、溫度、堅固性和環(huán)境保護，以及可靠性。

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

本文旨在探討數種考慮用于快速充電機系統的功率變換器拓撲和一些可利用的工具/資源，以及包含多項關(guān)鍵比較的匯總表格。

無(wú)論是在家庭或公共區域、高速公路通道還是為車(chē)隊充電，對交流電網(wǎng)的功率需求可從 2.2 kW 一路升到 1 MW。此類(lèi)電網(wǎng)系統通常設計為 20 - 50 kW 的 AC-DC 和 DC-DC 電源塊，可根據充電位置和車(chē)輛類(lèi)型進(jìn)行擴展，以滿(mǎn)足更高或更低的不同需求。功率級別和系統的一般疊層方式如下圖所示：

圖 2. 功率級別和系統的一般疊層方式

接下來(lái)，在設計時(shí)需要分析直流快速充電應用的實(shí)用性。首先，此類(lèi)充電機安裝在需要寬電池電壓范圍和寬負載曲線(xiàn)的公共區域。例如，目前道路上的大多數電動(dòng)汽車(chē)的電池電壓均在 350 V - 450 V 范圍內，而新車(chē)型則采用 800 V 電池。此外，每一款電動(dòng)汽車(chē)電池都有不同的充電曲線(xiàn)，這意味著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)充電機在設計時(shí)要滿(mǎn)足寬負載曲線(xiàn)和高滿(mǎn)載能力的需求。分析客戶(hù)行為也很重要，因為與家用充電機不同，車(chē)輛幾乎始終會(huì )行駛到充電位置，因此此時(shí)的需求轉變?yōu)轭A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到 80% 時(shí)充電速率下降。

對于商業(yè)運營(yíng)商而言，運營(yíng)成本對投資至關(guān)重要。舉例來(lái)說(shuō)，對于一個(gè) 360 kW 充電站，假設充電站每天運營(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)充電站每天可節省約 22 美元。電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)的動(dòng)態(tài)特性也推動(dòng)充電系統對新車(chē)型的高度靈活性和更小的安裝占地面積的需求。

下面我們總結了快速充電機系統的系統目標：

• 寬電池電壓范圍（350 V - 800 V）

• 寬負載曲線(xiàn)（單輛車(chē)/多輛車(chē)）和電池緩沖器（用于高性能車(chē)輛）

• 針對滿(mǎn)負載充電進(jìn)行優(yōu)化

• 實(shí)現雙向性，滿(mǎn)足回饋電網(wǎng)應用的需求

• 靈活，可適應新行業(yè)趨勢/標準

• 安裝占地面積小

• 降低運營(yíng)成本，實(shí)現盈利

• 堅固耐用，工作溫度范圍廣

記住上述要求和設計目標，一起來(lái)了解一些功率拓撲。

#1

AC-DC 轉換

拓撲 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(kāi)關(guān)、兩電平有源前端（AFE）配置，包含六個(gè)功率可達 25 kW 的 Wolfspeed 1200V SiC MOSFET（如圖 3 所示）?？傮w而言，與 IGBT 器件對比，可觀(guān)察到 SiC 組件實(shí)現了多項改進(jìn)（另請參閱圖 3）。

圖 3. 三相兩電平雙向 AFE（上）和 IGBT 對比 SiC（下）

表 1 描述與此配置相關(guān)的優(yōu)勢與挑戰。

表 1. 三相兩電平 AFE 的優(yōu)勢與挑戰

采用六個(gè) SiC MOSFET，例如 Wolfspeed 的 32 mΩ C3M0032120K，可達到高效率（并在提高功率密度的同時(shí)降低成本）。另一項非獨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。

設計資源

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

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

拓撲 2 -（AC-DC）：T-Type雙向 AC/DC 變換器

與六開(kāi)關(guān)方法相比，利用 1,200 V SiC MOSFET 的 T 型三電平 AC/DC 轉換器可實(shí)現更低的開(kāi)關(guān)損耗，雖然在快速充電應用中滿(mǎn)負載運行時(shí)導通損耗占主導地位。

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（導通電阻 RDS(on) 隨溫度升高變化小以及良好的滿(mǎn)載性能）。在中間位置使用 SiC 也有利于快速充電應用，因為碳化硅的 RDS(on) 與 Tj 曲線(xiàn)平穩，可在各工作溫度下滿(mǎn)載運行時(shí)實(shí)現更高的系統效率。

圖 4. T -Type AC/DC 轉換器

表 2 列出與此實(shí)施相關(guān)的其他優(yōu)勢和挑戰。

表 2. T -Type AC/DC 轉換器的優(yōu)勢與挑戰

拓撲 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 拓撲非常輕松地完成了從傳統 Si 到 SiC 的過(guò)渡。在此設計中，低壓 MOSFET 可以與肖特基二極管結合使用，從而降低 MOSFET 上的應力和開(kāi)關(guān)損耗（與上述拓撲中描述的兩電平方法相比）。

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 肖特基勢壘二極管。在使用這種拓撲結構時(shí)，需要權衡器件數量、成本和復雜性較高的因素。

圖 5. NPC AC/DC 轉換器拓撲

表 3 列出與此實(shí)施相關(guān)的其他優(yōu)勢和挑戰。

表 3. NPC/ANPC AC/DC 轉換器的優(yōu)勢與挑戰

AC-DC 拓撲的器件選擇

對于 AC/DC 變換器應用，在確定設計中使用的關(guān)鍵器件時(shí)必須做出一些抉擇。為減少串擾并最大限度提高效率，設計人員應選擇最高的 Cgs/Cgd 比率，同時(shí)使用負柵極驅動(dòng)電壓進(jìn)行關(guān)斷。滿(mǎn)載和高功率或連續功率運行的設計應該配置有利于降低導通損耗的器件。在針對硬開(kāi)關(guān)、高電流和高頻操作進(jìn)行設計時(shí)，應選擇具有低電感和開(kāi)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 可縮短反向恢復時(shí)間，降低損耗。

表 4 顯示上述 AC/DC 拓撲的器件數量對比。

表 4. AC/DC 快速充電機拓撲總結

#2

DC-DC 轉換

拓撲 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)設計和總共 12 個(gè) SiC MOSFET 的兩電平 LLC 電路示例，該電路可實(shí)現簡(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 400 V 和 800 V 操作進(jìn)行切換，滿(mǎn)足低或高充電電流的需求。一個(gè)不足之處在于：LLC 設計通常具有一個(gè)狹窄的最佳應用點(diǎn)，需要謹慎設計諧振回路。

圖 6. 20 - 30 kW 兩電平 LLC 雙向 DC/DC 轉換器

表 5 列出與此實(shí)施相關(guān)的其他優(yōu)勢和挑戰。

表 5. 兩電平 LLC DC/DC 轉換器的優(yōu)勢與挑戰

拓撲 2 -（DC-DC）：20 - 30 kW 兩電平 LLC 級聯(lián)雙向 DC/DC 變換器

圖 7 顯示具有雙向流動(dòng)設計和總共 12 個(gè) MOSFET 的兩電平 LLC 級聯(lián)電路示例，該電路支持從傳統 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，但該結構也存在一些挑戰（請參閱表 6）。

圖 7. 20 - 30 kW 兩電平 LLC 級聯(lián)雙向 DC/DC 轉換器

表 6. 兩電平 LLC 級聯(lián) DC/DC 轉換器的優(yōu)勢與挑戰

CRD-22DD12N 是 Wolfspeed 的 22 kW 參考設計，這為利用 1200 V SiC MOSFET 的兩電平 LLC DC/DC 變換器設計確立了良好開(kāi)端。該設計在電池電壓高達 800 V 時(shí)可實(shí)現 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)調整增益和效率。

通常，在設計 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 拓撲結構選擇恰當 MOSFET。

• MOSFET 輸出電容（以及充電所需時(shí)間）對使用零電壓開(kāi)關(guān)的變換器性能有著(zhù)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(kāi)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 設計的磁化電流通常較小，因此關(guān)斷時(shí)的開(kāi)關(guān)損耗控制得很好。

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

拓撲 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(xiàn)的快速充電解決方案（與 LLC 電路中的正弦曲線(xiàn)相比）。該拓撲的優(yōu)勢與挑戰請參閱表 7。

圖 8. 20 - 30 kW DAB 雙向 DC/DC 轉換器

表 7. DAB DC/DC 轉換器的優(yōu)勢與挑戰

拓撲 4 -（DC-DC）：30 - 60 kW 三相 LLC 單向 DC/DC 轉換器

在設計 30 - 60 kW 范圍內的 DC/DC 變換器時(shí)，還需要考量存在的一些額外挑戰，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（對于 LLC 電路），以及初級側 MOSFET 上的高電流水平。為了演示在 30 kW 時(shí)這些問(wèn)題的解決方案，Wolfspeed 創(chuàng )建了一個(gè)使用三相交錯 LLC 拓撲的參考設計 CRD-30DD12N-K。60 kW 系統也可以使用分立式器件進(jìn)行設計，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的對稱(chēng)設計。

使用功率模塊進(jìn)行設計有助于簡(jiǎn)化其中一些挑戰，方法是實(shí)現電感匹配、散熱設計已簡(jiǎn)化且在各種功率級別下可擴展的解決方案，并支持將現有的全橋拓撲擴展到更高的功率級別。

圖 9 顯示 CRD-30DD12N-K 中使用的三相交錯 LLC DC/DC 變換器拓撲，而表 8 描述了相關(guān)優(yōu)勢和挑戰。

圖 9. 30 - 60 kW 三相 LLC 單向 DC/DC 變換器

表 8. 三相 LLC DC/DC 轉換器的優(yōu)勢與挑戰

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，該配置在初級上使用半橋 Wolfspeed WolfPACK 功率模塊，在次級上使用 30 A 肖特基二極管。

圖 10. 50 - 60kW 兩電平 LLC 諧振轉換器

表 9. 兩電平LLC 諧振轉換器的優(yōu)勢與挑戰

表 10 和表 11 顯示了上述 DC/DC 拓撲的組件數量對比。

表 10. DC/DC 20 - 30 kW 快速充電機拓撲總結

表 11. DC/DC 50 kW+ 快速充電機拓撲總結

#3

總結

總而言之，存在多種用于快速充電設計的變換器拓撲，可實(shí)現模塊化、雙向性、滿(mǎn)載運行效率和高功率密度。SiC 技術(shù)是此類(lèi)快速充電器設計和變換器拓撲的核心，可實(shí)現最佳性能，同時(shí)確保系統持久耐用，穩定可靠。本文中描述的大多數拓撲都可使用 Wolfspeed SpeedFit 2.0 設計模擬器? 輕松模擬。

Wolfspeed SpeedFit 2.0 設計模擬器，敬請訪(fǎng)問(wèn)：

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

英文原稿，敬請訪(fǎng)問(wèn)：

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