碳化硅模塊助力更可靠更高效的換電站快充電路設(shè)計(jì)

換電與充電并存

在電動(dòng)車發(fā)展的過程當(dāng)中，充電和換電是兩個(gè)同時(shí)存在的方案。車載充電OBC可以通過兩相或三相電給汽車充電，但其無法滿足快充的需求?，F(xiàn)在充電樁發(fā)展迅速，已經(jīng)有600kW的超充出現(xiàn)，充電速度越來越逼近換電速度，但對電網(wǎng)壓力很大，還需要時(shí)間普及。換電則采取另外的方式，古代加急文書傳遞時(shí)，士兵在驛站更換體力充沛的馬匹繼續(xù)前行就是這種理念。動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車當(dāng)中最昂貴的部件，其可靠性至關(guān)重要，部分車主不太能接受隨意更換動(dòng)力電池的方式。而接受換電方式的用戶則可以提前享受到接近油車加油時(shí)間的使用感受。相信兩個(gè)模式還會在一段時(shí)間內(nèi)同時(shí)存在，直到極速充電得到普及。關(guān)于充電和換電的優(yōu)缺點(diǎn)，一直是網(wǎng)上的爭論熱點(diǎn)。今天來談一談?chuàng)Q電站中充電電路設(shè)計(jì)，以及安森美(onsemi)碳化硅模塊給電路設(shè)計(jì)帶來的優(yōu)勢。

充電站電路結(jié)構(gòu)

1.PFC

充電站中的充電電路部分功能與功率范圍和直流充電樁類似，作用是用電網(wǎng)交流電源給汽車電池充電，功率也同樣是超過OBC功率的大功率快速充電，通常大于50kW。其對接電網(wǎng)部分是三相有源功率因數(shù)校正電路，以下以PFC簡稱。PFC 可保持輸入電流和電壓之間的相位關(guān)系，并將線路/電網(wǎng)電流中的總諧波失真 （THD） 降至最低?，F(xiàn)在新的設(shè)計(jì)越來越多的需要雙向工作的能力，實(shí)現(xiàn)能量在電池與電網(wǎng)間的雙向流動(dòng)。目前流行的三相PFC線路有三種：6開關(guān)，T-NPC，I-NPC。

圖1 6開關(guān)三相PFC線路

圖2 T-NPC三相PFC線路

圖3 I-NPC三相PFC線路

6開關(guān)電路簡潔，直接支持雙向工作，但需要較高耐壓能力的功率器件。

T-NPC或I-NPC則可以選擇較低電壓的主動(dòng)開關(guān)器件，但若要有雙向工作能力，則需要將圖中的部分二極管替換為主動(dòng)開關(guān)器件MOS或IGBT。

在汽車相關(guān)的電路設(shè)計(jì)當(dāng)中，可靠性至關(guān)重要。6開關(guān)三相PFC電路，擁有最簡潔的電路設(shè)計(jì)，如果是雙向的設(shè)計(jì)則更加明顯。在1200伏SIC MOSFET已經(jīng)大批量應(yīng)用在汽車電路設(shè)計(jì)的情況下，這種架構(gòu)無疑是非常有吸引力的，特別是雙向設(shè)計(jì)中。充電站中的電路設(shè)計(jì)需要更多考慮效率，因其整個(gè)生命周期的電路運(yùn)行時(shí)間很長，設(shè)計(jì)上以效率為優(yōu)先可以節(jié)約更多電能降低電費(fèi)。因此碳化硅器件是優(yōu)先的選擇，尤其是對開關(guān)性能要求比較高的PFC部分?？紤]到充電站的功率往往都比較大，單管并聯(lián)的方案面臨比較大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，其整體可靠性設(shè)計(jì)也相當(dāng)困難。而模塊方案則簡化了整體的設(shè)計(jì)，可靠性優(yōu)勢巨大。

圖4 安森美碳化硅模塊

安森美的碳化硅模塊，擁有比較全的內(nèi)阻檔位選擇，3mΩ-40mΩ內(nèi)阻范圍適合不同功率的設(shè)計(jì)選取，采用半橋架構(gòu)方便應(yīng)用在PFC和DC-DC電路中。其出色的熱管理給用戶帶來出色的整體散熱性能，散熱部分自帶隔離特性大大方便設(shè)計(jì)與制造。相對于分立器件方案，整機(jī)可靠性大大提高，制造難度大大降低。

NXH003P120和NXH004P120是采用新一代M3S技術(shù)的領(lǐng)先產(chǎn)品，其極低的內(nèi)阻和寄生參數(shù)，非常適合PFC部分需要，同時(shí)具有優(yōu)秀的開關(guān)性能和低導(dǎo)通內(nèi)阻?？梢詭椭脩魧?shí)現(xiàn)非并聯(lián)設(shè)計(jì)的更高功率輸出。

2.LLC和CLLC

PFC電路和電池之間是DC-DC部分，通常需要隔離。單向設(shè)計(jì)較多采用LLC諧振電源或移相全橋PSFB（Phase Shifted Full Bridge）。而雙向設(shè)計(jì)則更多采用 CLLC 或 DAB（dual active bridge）。今天以LLC和CLLC為例，談一談碳化硅模塊在充電站DC-DC電路中的應(yīng)用優(yōu)勢。

LLC電路性能在各方面都表現(xiàn)很好，尤其是在最佳工作點(diǎn)附近時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)非常理想的工作狀態(tài)，進(jìn)而得到很高的運(yùn)行效率。LLC其本身就具有雙向工作能力（副邊采用主動(dòng)整流器件如SIC MOSFET），只是反向工作時(shí)無法實(shí)現(xiàn)LLC方式工作，只能工作在較差的工作點(diǎn)（LC串聯(lián)諧振模式），整體效率較低。CLLC（副邊增加L2,C2）則可以兼顧正向與反向工作點(diǎn)設(shè)計(jì)。

圖5 雙向設(shè)計(jì)的CLLC 電路結(jié)構(gòu)

充電站一般要求兼容800V和400V電池，DC-DC次級可以分成兩個(gè)線圈來通過串聯(lián)或并聯(lián)來對應(yīng)800V或400V電池。這樣可以大大降低設(shè)計(jì)的負(fù)載電壓范圍，實(shí)現(xiàn)在更靠近理想工作點(diǎn)來工作，進(jìn)而提升效率節(jié)約電費(fèi)。

雖然LLC和CLLC是諧振電源，其對開關(guān)器件的開關(guān)性能要求沒有PFC級那樣嚴(yán)格，但SIC MOSFET依然有很大優(yōu)勢。首先，電池的電壓在充電過程中一直在變動(dòng)，LLC的原邊并非能一直在理想工作點(diǎn)附近工作，SIC MOSFET的開關(guān)能力依然有優(yōu)勢。其次，整流一側(cè)的整流管要求好的開關(guān)性能，在充電器是雙向工作的電路設(shè)計(jì)中，原邊和副邊都會在某一個(gè)模式下當(dāng)作整流管使用，單向設(shè)計(jì)中，副邊始終是整流模式。SIC MOSFET的體二極管擁有很好的開關(guān)性能，可以更好的勝任整流工作的需求，降低關(guān)斷時(shí)反向恢復(fù)電流帶來的影響。

圖6 M3S技術(shù)帶來的效率提升明顯

安森美的SIC MOSFET模塊，尤其是基于新一代M3S技術(shù)開發(fā)的NXH003P120和NXH004P120提供出色的內(nèi)阻和開關(guān)特性，以及出色的體二極管開關(guān)特性，非常適合充電站DC-DC部分特別是雙向設(shè)計(jì)的電路?？梢詭椭脩魧?shí)現(xiàn)單模塊非并聯(lián)設(shè)計(jì)高功率輸出能力。

安森美EliteSiC模塊

總之，在高功率充電電路設(shè)計(jì)中，碳化硅技術(shù)可以帶來高效率的目標(biāo)，節(jié)能的同時(shí)具有高可靠性（更高的耐溫特性）。碳化硅模塊則更加為設(shè)計(jì)和制造帶來方便，進(jìn)一步提升產(chǎn)品的整體可靠性，在充電站這種高強(qiáng)度商業(yè)性應(yīng)用場景，高效率和高可靠性更加重要。

圖7 采用1200V SIC MOSFET設(shè)計(jì)帶來的簡化

安森美擁有不同類型的碳化硅模塊產(chǎn)品，適應(yīng)不同電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，今天介紹的三相6開關(guān)PFC和LLC、CLLC結(jié)構(gòu)非常適合采用1200V 半橋SIC MOSFET模塊。其提供簡單的電路結(jié)構(gòu)，和天然的雙向工作能力，第三代M3S SIC MOSFET技術(shù)賦予其高效的性能。包括兩款(NXH003P120M3F2PTHG/NXH004P120M3F2PTHG)，采用標(biāo)準(zhǔn)F2封裝，具有出色的Rds(on)。M3S技術(shù)專為高速開關(guān)應(yīng)用而開發(fā)，在開關(guān)損耗、Coss和Eoss方面具有優(yōu)異的品質(zhì)。

另外安森美提供新的Elite Power仿真工具，通過創(chuàng)新的PLECS模型實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突破，對于硬開關(guān)和軟開關(guān)應(yīng)用（例如LLC和CLLC諧振、雙有源橋和移相全橋等）都適用。該工具能夠精確呈現(xiàn)電路在使用我們的EliteSiC產(chǎn)品系列時(shí)的工況。

下面是F2封裝的SIC MOSFET 模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和外觀圖以及半橋類1200V SIC模塊的選型表。這些產(chǎn)品可以涵蓋25KW到100KW的功率范圍，提供簡潔的設(shè)計(jì)和高效率高可靠的快速充電整機(jī)性能。

圖8 SIC M3 MOS 模塊F2封裝半橋圖例

圖9 SICMOS半橋模塊選型