使用碳化硅进行双向车载充电机设计

2022年09月16日 14:32
来源:艾睿电子

电动汽车(EV)车载充电机(OBC)可以根据功率水平和功能采取多种形式,充电功率从电动机车等应用中的不到2 kW,到高端电动汽车中的22 kW不等。传统上,充电功率是单向的,但近年来,双向充电越来越受到关注。本文将重点关注双向OBC,并讨论碳化硅(SiC)在中功率(6.6 kW)和高功率(11 - 22 kW)OBC中的优势。

为什么要转向采用双向OBC?

随着汽车世界朝着用更清洁的燃料替代品取代汽油的方向发展,电动汽车运输的市场区块正在经历快速增长。随着纯电动汽车的市场份额不断增加,每辆车的电池装机容量也在增加,消费者还要求为大容量电池提供更快的充电时间。尤其是针对高性能的电动汽车,这种需求也促使电池工作电压从400 V增加到800 V。

配备足够电池容量的电动汽车将有可能充当储能系统,实现各种车联网(vehicle-to-everything, V2X)的充电用例,像是车辆到家庭发电、车辆到电网的应用机会,或是进行车辆到车辆充电。因此,OBC正在从单向拓扑到双向拓扑转变,采用双向 OBC 提高系统效率是一种普遍趋势。


图1:双向OBC支持新型车联网的使用案例

双向OBC系统模块

电动汽车的OBC设计需要高功率密度和最大化效率,以充分利用可用的电动汽车空间并最小化重量。双向OBC由一个双向AC/DC转换器组成,通常是一个功率因数校正(PFC)或有源前端(AFE)电路,后面则跟着一个隔离的双向DC/DC转换器。让我们分别检查这些模块。

PFC/AFE 模块

在输入端,传统的PFC升压转换器是使用最广泛的单相拓扑,但它不支持双向操作并且效率相对较低。图腾柱PFC通过消除桥式整流器级来提高效率,将传导路径中的半导体器件数量从三个减少到两个。


图2:从升压拓扑(a)更改为图腾柱PFC (b)可提高效率并允许双向操作。

图腾柱PFC包含两个以不同频率工作的半桥,高频桥臂进行升压、整流,以高频率切换。低频桥臂主要对输入电压进行整流,在50/60 Hz的频率下切换。

在欧洲的一些地区,三相电源可用于住宅公用事业,通常可以使用三相6开关PFC/AFE拓扑,如图3所示。


图3:双向三相6开关PFC拓扑

还有其他类型的三相PFC,例如T型PFC,它是一种三电平转换器。三电平转换器的好处是开关损耗更低,电感器尺寸更小。然而,想要获得这些好处,将会增加系统复杂性、更多的器件数量、更高的总成本和转换器的总体尺寸。因此,图3所示的基本2电平三相PFC转换器,是三相双向OBC最常用的拓扑。

DC/DC转换器模块

单向OBC中的DC/DC转换器通常是LLC谐振转换器,但这是一种单向拓扑,在反向工作模式下,转换器的电压增益受到限制,从而降低了其性能。因此,图4中的双向CLLC谐振转换器更适合DC/DC级,因为它在充电和放电模式下都结合了高效率和宽输出电压范围。


图4:双向CLLC DCDC转换器

在电动汽车OBC应用中,CLLC采用软开关来提高效率,采用初级侧的零电压开通(ZVS),次级侧ZVS+ZCS开关相结合。

另一种常见的双向DCDC转换器拓扑是双有源桥(DAB)。DAB的操作非常简单,通过移相调节输出。然而,它的ZVS范围有限,并且由于DAB关断电流高于CLLC,因此其开关损耗高于CLLC。因此,总的来说,DAB的效率低于CLLC。另一方面,CLLC中谐振电路的设计更为复杂。

SiC的诸多优点

SiC因其独特的高临界电场、高电子漂移速度、高温和高导热性组合,而成为大功率系统的首选。在晶体管级别上,其具备低导通电阻(RDS(on))和低开关损耗,使其成为大电流高压应用的理想选择。

除了SiC,大功率设计中的有源器件还有另外两种选择,包括硅(Si)MOSFET和 IGBT。对于图腾柱PFC中的高功率应用,Si MOSFET是不切实际的。Si MOSFET体二极管的反向恢复,导致连续导通模式(CCM)下高功率损耗,因此其使用仅限于非连续模式操作和低功率应用。相比之下,SiC MOSFET允许图腾柱PFC在CCM中运行,以实现高效率、低EMI和更高的功率密度。对于额定电压,Si MOSFET在650 V的电压下,具有良好的RDS(on)性能。对于1200 V,Si MOSFET的RDS(on)对于这种大功率应用来说太高了。

与IGBT相比,SiC MOSFET也具有优势。IGBT体二极管可以使用超快速二极管代替。但IGBT的最大开关频率由于其高开关损耗而受到限制。与SiC解决方案相比,低开关频率增加了磁性器件和无源组件的重量和尺寸。

中功率双向OBC架构(<6.6 kW)

中功率OBC通常采用单相120 V或240 V输入和400 VDC母线运行。拓扑是单相图腾柱PFC,后面跟着CLLC DCDC转换器,如图5所示。


图5:使用SiC和图腾柱PFC的高效OBC架构

对于6.6 kW,PFC中每个位置可采用两个60 mΩ MOSFET并联(例如Wolfspeed E3M0060065K)或用一个25 mΩ MOSFET,DCDC中每个位置可采用一个60 mΩ(E3M0060065K),或一个45 mΩ MOSFET(E3M0045065K)。下表总结了这种双向OBC设计的器件选择。


表1:高效双向OBC架构(3.3 - 6.6 kW)的MOSFET选择

Wolfspeed团队基于图5中的架构设计了一个6.6 kW OBC参考设计,以展示SiC MOSFET在此应用中的性能和实际用途。

该表显示了相关的需求。


表2:6.6 kW双向OBC参考设计规格

可在线找到Wolfspeed的6.6 kW高功率密度双向OBC参考设计的详细信息。

更高功率的双向OBC设计(11 kW / 22 kW)

在11 kW或22 kW等更高功率水平下,电池电压可以是400 V或800 V,但如前所述,目前市场则正朝着800 V发展。图6显示了高功率三相双向OBC的系统框图。


图6:高功率三相双向OBC系统框图

该设计可兼容400 V或800 V电池。

11 kW设计可以将75 mΩ 1200 V MOSFET(例如Wolfspeed的E3M0075120K)用于PFC和CLLC转换器的初级侧。在次级侧,800V电池应用使用与初级相同的75 mΩ MOSFET。40 mΩ 1200 V MOSFET可用于高性能应用,对于400 V电池应用,可以选择四个650 V 25 mΩ MOSFET作为次级侧。

22 kW的设计与11 kW OBC的设计相似,但更高的功率输出需要更低的RDS(on)器件,可用一个32 mΩ 1200 V MOSFET用于PFC和DCDC的初级侧。同样地,次级侧既可以将相同的初级侧器件用于800 V母线应用,也可以在400 V应用使用650 V 15 mΩ来替代。

表3总结了大功率三相设计的器件选择。


表3:11kW和22kW双向OBC的MOSFET选择

Wolfspeed为3相双向OBC设计了两种参考设计,一种用于22 kW三相PFC,一种用于22 kW DCDC,下表显示了对大功率22 kW OBC的要求。OBC设计实现了大于96%的整体效率,充电和放电模式的DC/DC峰值效率大于98.5%。有关三相22 kW PFC和22 kW DC/DC的更多详细信息,请访问Wolfspeed网站。


表4:用于双向OBC的22 kW三相PFC和DCDC的高端规格

22 kW基于SiC的参考设计兼容单相输入和三相输入

在许多欧洲家庭中,三相电源很容易获得,但典型的美国家庭、亚洲和南美家庭只有标准的单相240 V。在这种情况下,设计需要大功率的22 kW OBC,它可以同时兼容单相和三相以减少OBC的数量。第四条桥臂被添加到传统的三相PFC中,这样设计人员就可以对单相输入使用交错技术。图7显示了一个交错式图腾柱PFC,它具有三个高频桥臂和第四个低频桥臂,每个PFC的高频桥臂通过32 mΩ 1200 V SiC MOSFET提供6.6 kW的功率。低频桥臂可以使用两个Si IGBT来降低成本。当三相可用时,该电路可以自动重新配置为三相工作,使第四条桥臂悬空不用。


图7:用于22 kW单相设计的交错式图腾柱PFC

22 kW双向OBC中比较SiC与Si

在双向OBC中,基于SiC的解决方案在成本、尺寸、重量、功率密度和效率所有相关方面,都优于基于Si的解决方案。例如,在(为什么在下一个双向车载充电机设计中选择SiC而不是Si?)中详细的比较表明,22kW双向OBC(图6中所示)基于SiC的解决方案需要14个功率器件和14个栅极驱动器,基于Si的设计需要22个功率器件和22个栅极驱动器。

在比较性能时,SiC设计实现了97%的效率和3 kW/L的功率密度,而Si设计效率为95%和2 kW/L的功率密度。

最后,从系统成本中表明,基于Si的解决方案比SiC设计高出约18%。6.6 kW的对比也展现了SiC设计的优越性。

与Si设计相比,这些优势使SiC系统节省的净寿命约550美元。

关于Wolfspeed SiC器件

双向功能是电动汽车OBC设计的新趋势,Wolfspeed SiC MOSFET通过提供具有低导通电阻、低输出电容和低源极电感的器件,完美融合了低开关损耗和低导通损耗,从而解决了许多电源设计挑战。与基于Si的解决方案相比,Wolfspeed SiC功率器件技术能够提高系统功率密度、更高的开关频率、减少组件数量,以及减少电感、电容、滤波器和变压器等组件的尺寸,并潜在地降低系统成本。

本文回顾了6.6 kW和22 kW OBC应用的双向设计,并概述了通过切换到基于SiC的解决方案可以获得的性能优势和成本节约。要了解有关电源设计注意事项和其他主题的更多信息,请访问Wolfspeed知识中心。