摘要

 

雙向功率轉換器是可再生能源和電動(dòng)汽車(chē)充電器中的關(guān)鍵部件。碳化硅開(kāi)關(guān)能夠實(shí)現先前技術(shù)無(wú)法達到的效率水平。

 

太陽(yáng)能和風(fēng)能等可再生能源的存儲越來(lái)越重要，而電池則是一種實(shí)用的儲能解決方案。在電動(dòng)汽車(chē)（EV）市場(chǎng)的驅動(dòng)下，電池可用于從公用事業(yè)到家庭等任何規模場(chǎng)景應用，成本也在不斷下降 。此外，雖然基于碳的 礦物燃料仍在繼續使用，但 電池電能可有效地反饋 到電網(wǎng)中，能夠 為更可靠和更具成本效益地供應電能 提供“調峰”作用，并可為家庭或工業(yè)消費者提供資金返現。在這種情況下，需要一個(gè)雙向功率轉換器，能夠從交流電 或可再生能源為電池充電，或者在本地負載較輕或沒(méi)有本地負載時(shí)將能量“饋入”回交流線(xiàn)路 。 EV 電池也可以包含在此項應用。

 

雙向轉換器效率是關(guān)鍵

 

雙向轉換器的效率顯然是太陽(yáng)能等系統有效性和投資回報的關(guān)鍵?，F在，功率轉換器中單級實(shí)現 99% 以上的效率很常見(jiàn)，但雙向轉換器更難以?xún)?yōu)化其正向和反向能量流。幸運的是，當 MOSFET 用于開(kāi)關(guān)和同步整流器 時(shí)，它們通?？梢耘渲脼殡p向。圖 1 顯示了雙向電池充電器/逆變器的示意圖，其左右對稱(chēng)性應該很明顯，能量流方向由 MOSFET 驅動(dòng)裝置 控制。

圖中所示功率因數校正級是一個(gè)典型“無(wú)橋圖騰柱”類(lèi)型，它在中等功率或更高交錯功率水平下最佳 ，但其效率受到兩個(gè) MOSFET 的體二極管限制，這些體二極管在交流電源的交替極性上充當升壓二極管 。對于低傳導損耗 ，電路在連續傳導模式下“硬開(kāi)關(guān)” ，電荷在 MOSFET 通道導通和關(guān)斷狀態(tài)之間的死區時(shí)間內存儲在體二極管中 。每個(gè)周期恢復這種電荷會(huì )導致功率損耗和 EMI，在使用硅 MOSFET 時(shí)，這種影響可能會(huì )很?chē)乐?。如?MOSFET 的輸出電荷 QOSS 很高，并且 每個(gè)周期都必須對其進(jìn)行充電和 放電，那么也會(huì )產(chǎn)生過(guò)多的功率損耗。

 

圖 1 中所示，DC-DC為諧振“移相全橋（PSFB）”型，不受體二極管反向恢復的影響，除非可能在啟動(dòng)、關(guān)閉或負載階躍時(shí)發(fā)生的瞬態(tài) 。然而，該轉換器也可能受到高 QOSS 值的影響，使得諧振操作 難以在所有條件下保持。高 QOSS 值還會(huì )強制達到最小死區時(shí)間 ，進(jìn)而限制了高頻工作。

 

SiC MOSFET 能夠解決這些問(wèn)題

 

上面討論的問(wèn)題在很大程度上可通過(guò)使用碳化硅 (SiC) MOSFET 得到解決。其反向恢復電荷約為同類(lèi) si-MOSFET 值的 20%，而 QOSS 約為六分之一。例如，英飛凌的650V CoolSiCTM SiC MOSFET(IMZA65R048M1H)  具有 125nC 的電荷，而基于硅的 600V CoolMOSTM CFD7 超級結 MOSFET(IPW60R070CFD7)  的電荷為 570nC，具有相似的導通電阻。 

 

使用 SiC MOSFET 時(shí)， 輸出電容和由此產(chǎn)生的 QOSS 變化要小很多。圖 2 表明 IMZA65R048M1H CoolSiCTM MOSFET 在低漏極電壓和高漏極電壓之間變化  10 倍，但超級結 硅MOSFET 的數值接近變化  8000 倍。高電壓下 SiC 的 非零值可能是一個(gè)優(yōu)勢，因為它有助于減少漏極上的電壓過(guò)沖，否則將需要高柵極電阻值，從而降低可控性。

 

圖 2：與硅器件相比，SiC 器件輸出電容隨漏極電壓的變化要小很多。

 

參考設計展示了 SiC 的優(yōu)勢

 

英飛凌參考設計(EVAL_3K3W_TP_PFC_SIC)  [1]（見(jiàn)圖 3）展示了 SiC MOSFET 在雙向 3.3 kW 圖騰柱 PFC 級 中的性能，實(shí)現了 73 W/in3 (4.7 W/cm3) 的功率密度，在 230VAC 輸入和 400VDC 輸出下的峰值效率為 99.1%。在逆變器模式下，效率峰值為 98.8%。使用英飛凌 XMCTM 系列微控制器能夠進(jìn)行全數字控制 。

 

圖 3：英飛凌采用 SiC MOSFET的高效、雙向、圖騰柱 PFC 級 演示板。

 

結論

 

CoolSiCTM MOSFET在雙向轉換器中具有明顯的優(yōu)勢，英飛凌能夠以分立和模塊形式提供這些產(chǎn)品，以及一系列互補 使用的 EiceDRIVERTM 柵極驅動(dòng)器。還可提供電流感測  IC和用于數字控制的微控制器。

 

參考文獻

 

[1]  采用650V CoolSiCTM和 XMCTM 的3300W CCM 雙向圖騰柱，英飛凌應用筆記，AN_1911_PL52_1912_141352