碳化硅技術(shù)如何變革汽車車載充電

日趨嚴格的CO₂排放標準以及不斷變化的公眾和企業(yè)意見在加速全球電動汽車(EV)的發(fā)展。這為車載充電器(OBC)帶來在未來幾年巨大的增長空間，根據(jù)最近的趨勢，到2024年的復合年增長率(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，提高系統(tǒng)能效或定義一種高度可靠的新拓撲結(jié)構(gòu)已成為迫在眉睫的挑戰(zhàn)。

用于單相輸入交流系統(tǒng)的簡單功率因數(shù)校正(PFC)拓撲結(jié)構(gòu)(圖1)是個傳統(tǒng)的單通道升壓轉(zhuǎn)換器。該方案包含一個用于輸入交流整流的二極管全橋和一個PFC控制器，以增加負載的功率因數(shù)，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)點是設計簡單，實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(tǒng)升壓轉(zhuǎn)換器，對升壓電路進行多次迭代，可改善某些系統(tǒng)性能參數(shù)，但并不能省去輸入二極管橋。

圖1 傳統(tǒng)的PFC

仿真數(shù)據(jù)(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(tǒng)的能效，人們研究了不同的PFC拓撲結(jié)構(gòu)，包括傳統(tǒng)PFC、半無橋PFC、雙向無橋PFC和圖騰柱無橋PFC。其中，圖騰柱PFC(圖3)由于減少了元器件數(shù)量，降低了導通損耗，且能效高，因而廣受歡迎。

圖3 無橋圖騰柱PFC

傳統(tǒng)的硅(Si) MOSFET很難在圖騰柱PFC拓撲中的連續(xù)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具有更勝一籌的開關(guān)性能、極小的反向恢復時間、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極電荷(QG)。

設計OBC的另一個挑戰(zhàn)是，車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，設計既能滿足機械尺寸要求又能提供所需輸出功率的OBC變得越來越困難。使用當前用于OBC的技術(shù)，工程師們不得不在功率、尺寸和能效之間進行權(quán)衡，而SiC正在突破這些設計障礙。工程師使用具有更高開關(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(tǒng)中使用SiC MOSFET的好處是能夠以更高的頻率進行開關(guān)，功率密度更高，能效更高，EMI性能得到改善以及系統(tǒng)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橋圖騰柱PFC拓撲提供了參考設計。該設計在每個高速支路包括一個隔離的高電流、高能效IGBT驅(qū)動器(NCV57000DWR2G)和兩個高性能SiC MOSFET (NVHL060N090SC1)。此外，低速支路采用兩個由單片高邊和低邊門極驅(qū)動器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(jié)構(gòu)中采用這些高性能SiC MOSFET配置，系統(tǒng)能效達到97% (典型值)。該設計包括硬件過流保護(OCP)、硬件過壓保護(OVP)和輔助配電系統(tǒng)(非隔離)，可為PFC板和控制板上的每個電路供電，而無需其它直流源。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