用于電動汽車充電器應用 PFC 的 SiC 器件

交流充電樁適合在家中或工作場所為電動汽車充電，因為目前車載充電器的額定功率通常達到11千瓦，充滿電需要8~10小時。然而，對于假期等長途旅行，消費者希望在休息期間充電更快。

直流電動汽車充電樁具有交流轉(zhuǎn)直流、隔離直流轉(zhuǎn)直流的特點，比交流充電樁具有更高的額定功率。使用分立器件的直流電動汽車充電子單元的額定功率目前為 11 kW-22 kW，但在不久的將來將增加到 30 至 50 kW 范圍。

多個直流電動汽車充電子單元并聯(lián)可以將直流充電樁的額定功率從 120 kW 提高到 360 kW。使用這種直流充電樁，消費者可以在不到半小時的時間內(nèi)將電池充電至80%的電量。由于快速充電的優(yōu)勢和電動汽車的快速發(fā)展，直流電動汽車充電器市場近年來經(jīng)歷了非凡的增長。

與此同時，該市場正在面臨可靠性、效率和功率密度方面的技術(shù)挑戰(zhàn)。下一代功率半導體SiC器件將有利于應對這些挑戰(zhàn)和發(fā)展目標。在本文中，我們介紹了用于直流電動汽車充電器應用的 PFC 的 SiC 器件。

英飛凌的 SiC

近年來，寬帶隙材料和器件得到了迅速發(fā)展。SiC 器件開關(guān)損耗低，使客戶能夠提高開關(guān)頻率。因此，SiC產(chǎn)品廣泛應用于直流電動汽車充電器、太陽能逆變器、不間斷電源（UPS）和開關(guān)模式電源（SMPS）應用。

英飛凌在碳化硅方面擁有 20 多年的現(xiàn)場經(jīng)驗，采用如圖 1 所示的溝槽結(jié)構(gòu)，可在不破壞導通狀態(tài)和截止狀態(tài)條件下的柵極氧化物的情況下提高性能。為了證明溝槽結(jié)構(gòu)的柵極氧化物可靠性，英飛凌對柵極氧化物進行了可靠性評估，結(jié)果如圖 2 所示。

除了上述優(yōu)點外，英飛凌 CoolSiC? MOSFET 還具有更高的閾值電壓、短路能力和寬范圍的可控 dV/dt。英飛凌在SiC MOSFET 長期運行的柵極閾值電壓 (V GS(th) )漂移領(lǐng)域擁有知識。它提供了設(shè)計指南，以限制導通電阻 (R DS(on) ) 的相關(guān)增加，因為它對應用中的用戶產(chǎn)生主要影響。這些優(yōu)點使得英飛凌 CoolSiC MOSFET 易于使用 [1][2][3][4][5][6]。

圖 1. 英飛凌 CoolSiC MOSFET 單元結(jié)構(gòu)示意圖。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

圖 2.V  GS過應力測試。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

適用于直流電動汽車充電器應用的 PFC

單向直流電動汽車充電器通常采用Vienna PFC拓撲和帶有LLC諧振轉(zhuǎn)換器和全橋整流器拓撲的DC-DC部分，如圖3所示。

還有另一種常見的DC-DC拓撲結(jié)構(gòu)，即相移全橋（PSFB），其具有不同的拓撲結(jié)構(gòu)和控制方法。DC EV充電器中的PFC部分可以使用英飛凌產(chǎn)品，例如D1~D6采用1200 V Si或SiC二極管，SW1~SW6采用CoolMOS? MOSFET和TRENCHSTOP? IGBT5。LLC DC-DC原邊可采用CFD系列CoolMOS MOSFET，副邊可采用650V Rapid Si二極管或650V Infineon CoolSiC二極管。由于輸出直流電壓范圍較寬，通常為200~1000 VDC，因此采用繼電器串聯(lián)或并聯(lián)全橋整流器。

在本文中，我們重點關(guān)注直流電動汽車充電器應用的 PFC。Vienna PFC 拓撲廣泛應用于單向直流電動汽車充電器應用，如圖 4 所示。

由于SiC二極管的反向恢復電流比Si二極管低，因此當SW1~SW6導通時，此類電流將流過SW1~SW6。因此，如果反向恢復電流較小，則可以降低SW1~SW6的導通開關(guān)損耗。因此，1200 V SiC 二極管廣泛應用于單向直流電動汽車充電器應用，以實現(xiàn)更低的功率損耗和更高的效率。較低的功率損耗意味著功率器件的結(jié)溫較低，這可以提高可靠性或增加功率密度。

圖 3. 直流電動汽車充電器拓撲。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

圖 4. 維也納 PFC 拓撲。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

三相全橋拓撲 (B6) 也廣泛用于直流電動汽車充電器應用，如圖 5 所示。

我們知道，這種B6拓撲也可以用作逆變器，因此可以用于雙向應用。如果圖3中的PFC二極管和整流二極管（D1~D14）改為開關(guān)器件，則拓撲變?yōu)橹行渣c鉗位2（NPC2，如圖6）和雙向DC-DC（CLLC，或雙有源橋）拓撲，這是一種雙向充電器拓撲，如圖7所示。

直流電動汽車充電器中的雙向功能通常是指當電池充電狀態(tài)較高時，或在某些條件下，例如停電或戶外時，將電動汽車中的電池放電到電網(wǎng)、用電設(shè)備或其他電動汽車野營。向電網(wǎng)放電也稱為車輛到電網(wǎng)（V2G）技術(shù)，其優(yōu)點包括降低電動汽車總擁有成本和優(yōu)化電網(wǎng)穩(wěn)定性等。這種技術(shù)肯定會在未來的充電器中得到應用，而雙向充電器應該會成為直流電動汽車充電器的趨勢。

如圖8所示，使用1200V CoolSiC MOSFET替代DC-DC中的600V/650V CoolMOS，并使用B6替代圖9所示的NPC2，可以減少系統(tǒng)中功率器件的數(shù)量，并使其更容易控制。這些優(yōu)勢還有助于雙向直流電動汽車充電系統(tǒng)實現(xiàn)更高的效率、更高的功率密度和更低的單位重量。

圖 5. 三相全橋拓撲 (B6)。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

圖 6. 三相全橋拓撲 (B6)。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

圖 7. 雙向直流電動汽車充電器拓撲 A。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

圖 8. 雙向直流電動汽車充電器拓撲 B。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

圖 9. 雙向直流電動汽車充電器拓撲 C . 圖片由 Bodo’s Power Systems提供

具有不同器件和拓撲的 15 kW PFC 簡介

單向和雙向直流電動汽車充電器應用有多種不同的解決方案。該研究重點關(guān)注 PFC 部件，以便比較效率和成本，并為單向和雙向應用提出建議。表 1 和表 2 顯示了用于單向和雙向 PFC 的三種 15 kW 三相 PFC 解決方案。同時使用 Si 器件和 SiC 器件的解決方案稱為混合解決方案。

在表 1 和表 2 所示條件下進行仿真后，得到的功率損耗與開關(guān)頻率的關(guān)系曲線如圖 10 和圖 11 所示。從圖 10 中單向 PFC 解決方案的曲線來看，1200 V 的 Vienna PFC 混合解決方案CoolSiC二極管的功率損耗與CoolSiC MOSFET B6解決方案幾乎相同，并且比B6解決方案具有更好的性價比。

從圖 11 雙向 PFC 解決方案的曲線來看，Si NPC2 解決方案的功耗，混合 NPC2 的功耗低于 Si NPC2 解決方案，而采用 CoolSiC MOSFET 解決方案的 B6 功耗，且開關(guān)頻率。由于開關(guān)頻率高，我們還可以使用低電感、小散熱器和小 PCB 尺寸，這有助于降低系統(tǒng)成本。

圖 10. 單向 PFC 功率損耗曲線。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

圖 11. 雙向 PFC/INV 功率損耗曲線。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

結(jié)論

在本文中，我們介紹了單向和雙向直流電動汽車充電器拓撲，特別是 PFC 部件和 SiC 器件，包括混合 Vienna PFC 和 B6 拓撲中使用的 1200 V SiC 二極管和 MOSFET。從功率損耗和開關(guān)頻率曲線來看，我們建議在單向直流電動汽車充電器 PFC 部件的混合 Vienna PFC 中使用 1200 V SiC 二極管，從而實現(xiàn)效率和性價比。在 B6 拓撲中使用具有 1200 V SiC MOSFET 的雙向直流 EV 充電器 PFC 部件可實現(xiàn)效率和性能，并為整個系統(tǒng)帶來成本效益。