SiC在電動(dòng)車(chē)功率轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用

電動(dòng)車(chē) (EV) 的發(fā)貨量正在迅速增長(zhǎng)，預(yù)計(jì) 21 世紀(jì) 20 年代還將加速發(fā)展。主要汽車(chē)制造商都已經(jīng)推出了電動(dòng)車(chē)或已制定了推出計(jì)劃，它們還積極與伙伴合作，研究最佳的動(dòng)力電子學(xué)方案，從而盡量延長(zhǎng)單次充電行駛里程和降低成本。SiC 器件的主要應(yīng)用如圖 1 所示，預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)表明，到 2030 年，SiC 的發(fā)貨量有望達(dá)到 100 億美元。電動(dòng)車(chē)最重要的動(dòng)力元件是電動(dòng)車(chē)牽引逆變器，我們將在之后的文章中討論。其他重要轉(zhuǎn)換器有車(chē)載充電器和直流轉(zhuǎn)換器。它們?cè)絹?lái)越多地涉及雙向功率流，并因快速開(kāi)關(guān)和出色的寄生二極管行為而大大獲益。SiC FET 產(chǎn)品現(xiàn)已符合 AEC-Q101 要求，可滿足這些需求。我們會(huì)討論主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，查看使用 SiC 器件的優(yōu)勢(shì)，尤其是在電壓較高 (500-800V) 的電池系統(tǒng)中。

圖 1：UnitedSiC 優(yōu)勢(shì)

車(chē)載充電器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

車(chē)載充電器 (OBC) 位于車(chē)內(nèi)，所以它必須能夠使用功率密度和能效都盡可能高的轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以便減小自身體積和重量。選擇哪種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)取決于功率范圍，可以是 6.6kW、11kW，也可以是 22kW（電動(dòng)客車(chē)）。在部分情況下，車(chē)載充電器可以是雙向的，這意味著電路不僅允許電池從電網(wǎng)獲得電流，電動(dòng)車(chē)還可以充當(dāng)分布式電源向電網(wǎng)饋電。在這種模式下，電是反向流動(dòng)的，但是峰值運(yùn)行功率可能比電池充電額定值低（一半）。

圖 2 顯示的是專(zhuān)為單向功率流設(shè)計(jì)的車(chē)載充電器的兩種配置。電路有兩個(gè)主要部分，前端整流器級(jí)和直流轉(zhuǎn)換器級(jí)。整流器級(jí)對(duì)交流主電源電壓進(jìn)行整流，提供具有統(tǒng)一功率因數(shù)的直流軌。之后，直流到直流全橋移相級(jí)提供精確控制的輸出，以便為電池組充電。在鋰離子電池充電過(guò)程中，電路首先在控制電流模式下運(yùn)行，然后在功率恒定模式下運(yùn)行以實(shí)現(xiàn)快速充電，最后在電壓恒定模式下運(yùn)行，直至電池充滿。

圖 2：專(zhuān)為單向功率流設(shè)計(jì)的車(chē)載充電器中的兩種配置

為了盡可能提高整流器級(jí)的能效，無(wú)橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)越來(lái)越受歡迎，因?yàn)樗梢员苊舛O管整流器橋的導(dǎo)電損耗。圖 2 顯示的圖騰柱 (TPPFC) 電路，可以用于功率電平較低的情況。該電路含快速開(kāi)關(guān)相腳，而其他電路則以線路頻率開(kāi)關(guān)?？焖匍_(kāi)關(guān)腳可以在連續(xù)導(dǎo)電模式 (CCM) 和臨界導(dǎo)電模式 (CRM) 下運(yùn)行。在連續(xù)導(dǎo)電模式下，開(kāi)關(guān)打開(kāi)存在困難，最佳選項(xiàng)是使用含有出色低 Q_RR 寄生二極管的寬帶隙開(kāi)關(guān)。圖 3 比較了器件參數(shù)，包括將 UnitedSiC FET 的 Q_RR 與先進(jìn)的超結(jié)器件進(jìn)行比較。如果開(kāi)關(guān)頻率超過(guò) 20kHz，則必須使用寬帶隙開(kāi)關(guān)，而 UnitedSiC FET 提供的標(biāo)準(zhǔn)柵極驅(qū)動(dòng)將使得插入 UnitedSiC FET 以及從超結(jié)器件升級(jí)為 UnitedSiC FET 變得十分簡(jiǎn)單。

圖 3：器件參數(shù)比較，包括 UnitedSiC FET 的 Q_RR 與先進(jìn)的超級(jí)器件的比較

如果使用臨界導(dǎo)電模式，則峰值電流會(huì)變得更高，為感應(yīng)器帶來(lái)額外的約束，并需要導(dǎo)通電阻更低的開(kāi)關(guān)。在沒(méi)有硬打開(kāi)的情況下，可以使用硅基超結(jié) FET，至少在較低的總線電壓下可以。即使在這種情況下，使用 SiC FET 也行得通，因?yàn)楝F(xiàn)在有導(dǎo)通電阻非常低的選件，而與采用類(lèi)似導(dǎo)通電阻的超結(jié) FET 相比，SiC FET 的價(jià)格也越來(lái)越有競(jìng)爭(zhēng)力。此外，利用 1200V SiC FET，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以擴(kuò)展到更高的直流軌電壓，從而使用最小的開(kāi)關(guān)次數(shù)增加功率輸出。

對(duì)于 11-22kW 這樣較高的功率電平而言，3 相有源前端整流器是出色的選件。總線電壓通常為 600-800V，因而需要使用 1200V 器件。此外，圖 2 中的雙電平 3 相電路需要開(kāi)關(guān)損耗低且 Q_RR 低的開(kāi)關(guān)，從而使得 SiC FET 取代 IGBT 成為更好的選擇。圖 4 顯示的是 35mohm，1200V，TO247-4L (UF3C120040K4S) UnitedSiC FAST FET 的打開(kāi)特征和關(guān)閉特征。鑒于器件的打開(kāi)和關(guān)閉損耗非常低，這些器件并聯(lián)使用，以實(shí)現(xiàn)高能效的有源前端整流器。使用 4 腳開(kāi)爾文封裝時(shí)，用戶可以更快地開(kāi)關(guān)，而且損耗更低，柵極波形也更清晰。

圖 4：35mohm，1200V，TO247-4L (UF3C120040K4S) UnitedSiC FAST FET 的打開(kāi)特征和關(guān)閉特征

前端整流器的替代方案是 Vienna 整流器，如圖 5 所示，它允許將 650V 硅基超結(jié)器件與 SiC 肖特基二極管聯(lián)用，以降低成本。在這個(gè)電路中，開(kāi)關(guān)并不會(huì)進(jìn)行硬開(kāi)關(guān)。不過(guò)需要的半導(dǎo)體數(shù)量更多，且二極管壓降限制了能實(shí)現(xiàn)的最佳能效。

圖 5：Vienna 整流器，允許將 650V 硅基超結(jié)器件與 SiC 肖特基二極管聯(lián)用，以降低成本

直流轉(zhuǎn)換器

如圖 2 所示，電池充電器和提供 12V/24V 電能的主力直流轉(zhuǎn)換器都是移相全橋轉(zhuǎn)換器。在滿負(fù)荷下時(shí)，該電路采用以零壓開(kāi)關(guān) (ZVS) 方式打開(kāi)的 FET，并采用緩沖電容器來(lái)盡量降低整個(gè)器件的關(guān)閉損耗。該電路可以在高頻 (100-300kHz) 下運(yùn)行，且能效高。SiC FET 的導(dǎo)電損耗和關(guān)閉損耗低，且其柵極驅(qū)動(dòng)要求簡(jiǎn)單，是理想的選擇。對(duì)于可在 0 至 12V 下驅(qū)動(dòng)或由輸出 -12/0/12V 電壓的簡(jiǎn)單脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)的 UnitedSiC FET，情況也是如此。在輕負(fù)荷條件下，可能會(huì)發(fā)生硬開(kāi)關(guān)，這會(huì)導(dǎo)致超結(jié) FET 出現(xiàn)問(wèn)題，也更容易發(fā)生二極管恢復(fù)感應(yīng)故障，且 IGBT 電路容易產(chǎn)生更大的損耗。

圖 6 中顯示的 LLC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個(gè)非常出色的選擇，尤其是在輸出電壓固定時(shí)。這個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在輸出固定的直流轉(zhuǎn)換器級(jí)中最為常見(jiàn)，而移相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則更適合處理可變輸出電壓。在總線電壓較低時(shí)，LLC 電路中會(huì)使用超結(jié) FET 與快速二極管。而在電壓較高時(shí)，IGBT 功率損耗變得過(guò)高，因而更適合選擇 SiC FET。

圖 6：在總線電壓較低時(shí)，LLC 電路中使用超結(jié) FET 與快速二極管。在電壓較高時(shí)，IGBT 功率損耗會(huì)變得過(guò)高，因而適合選擇 SiC FET

即使在總線電壓較低的情況下，UnitedSiC 650V SiC FET 也能實(shí)現(xiàn)非常低的柵極電荷，非常短的輸出電容充電時(shí)間和非常低的寄生二極管導(dǎo)電損耗，可以用于將 LLC 運(yùn)行頻率從 100kHz 提高到 500kHz。TO247-4L 封裝中的導(dǎo)通電阻現(xiàn)在可以低至 7mohm，650V。對(duì)于低輪廓空間約束的應(yīng)用，可以在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) DFN8x8 封裝中使用 27mohm，650V 器件。

對(duì)于雙向直流轉(zhuǎn)換，圖 7 顯示的是雙有源橋 (DAB) 和 CLLC 電路，其中輸出側(cè)采用有源開(kāi)關(guān)。對(duì)于電池充電，因?yàn)檩敵鲭妷鹤兓秶鷱V，所以可以通過(guò)變換柵極 PWM 波形從固定的直流總線控制 DAB。如果采用 CLLC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，則為了維持直流轉(zhuǎn)直流級(jí)的運(yùn)行近共振，必須通過(guò)改變有源整流器級(jí)（圖騰柱 PFC 或 3 相有源前端）的控制方案來(lái)改變總線電壓。在這兩種情況下，都必須在副邊側(cè)使用 SiC FET 以便在反模式下有效進(jìn)行硬開(kāi)關(guān)。這些 FET 可以是 650V 至 1200V FET（用于電池充電），也可以是 100-150V 等級(jí)內(nèi)的較低壓硅 FET（可實(shí)現(xiàn) 12V/24V 輸出）。

圖 7：雙有源橋 (DAB) 和 CLLC 電路，其中輸出側(cè)采用有源開(kāi)關(guān)

輕松過(guò)渡

寬帶隙 SiC FET 支持使用更完善的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和更高的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)大功率密度和能效目標(biāo)。系統(tǒng)層面的電動(dòng)車(chē)空間增加可以輕易抵消較高的開(kāi)關(guān)成本。UnitedSiC FET 具備與所有類(lèi)型柵極驅(qū)動(dòng)電壓兼容這個(gè)重要優(yōu)勢(shì)，所以可以插入基于硅的設(shè)計(jì)和 SiC MOSFET 設(shè)計(jì)中。在全世界設(shè)計(jì)師越來(lái)越多地采用 SiC 器件部署的過(guò)程中，這個(gè)優(yōu)勢(shì)可以讓他們輕松完成過(guò)渡，有時(shí)只需對(duì)現(xiàn)有的基于硅的設(shè)計(jì)進(jìn)行升級(jí)即可。

近期發(fā)展

下一階段很可能要涉及集成驅(qū)動(dòng)器和 FET 級(jí)，例如圖 8 中所示的帶驅(qū)動(dòng)器的 SIP 半橋，它使用 35mohm，1200V 堆疊式共源共柵開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)波形表明，此類(lèi)器件支持非?？臁⒎浅Ｇ逦拈_(kāi)關(guān)，可以用作本文中所述的所有電路選項(xiàng)的構(gòu)建塊。

圖 8：集成驅(qū)動(dòng)器和 FET 級(jí)，例如所示的帶驅(qū)動(dòng)器的 SIP 半橋，它使用 35mohm，1200V 堆疊式共源共柵開(kāi)關(guān)

SiC FET 技術(shù)迅速發(fā)展，正在開(kāi)發(fā)中的 2020 版本開(kāi)關(guān)的性能表征能提高 2 倍。再加上分立封裝改進(jìn)與基于 SiC 的智能功率模塊的推出，這三項(xiàng)進(jìn)步會(huì)隨著電動(dòng)車(chē)部署的不斷增加進(jìn)一步提高功率密度。