用于電動(dòng)汽車充電器應(yīng)用 PFC 的 SiC 器件

交流充電樁適合在家中或工作場(chǎng)所為電動(dòng)汽車充電，因?yàn)槟壳败囕d充電器的額定功率通常達(dá)到11千瓦，充滿電需要8~10小時(shí)。然而，對(duì)于假期等長(zhǎng)途旅行，消費(fèi)者希望在休息期間充電更快。

直流電動(dòng)汽車充電樁具有交流轉(zhuǎn)直流、隔離直流轉(zhuǎn)直流的特點(diǎn)，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(dòng)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(gè)直流電動(dòng)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(fèi)者可以在不到半小時(shí)的時(shí)間內(nèi)將電池充電至80%的電量。由于快速充電的優(yōu)勢(shì)和電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，直流電動(dòng)汽車充電器市場(chǎng)近年來經(jīng)歷了非凡的增長(zhǎng)。

與此同時(shí)，該市場(chǎng)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(dǎo)體SiC器件將有利于應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)和發(fā)展目標(biāo)。在本文中，我們介紹了用于直流電動(dòng)汽車充電器應(yīng)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(yīng)用于直流電動(dòng)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(yīng)用。

英飛凌在碳化硅方面擁有 20 多年的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，采用如圖 1 所示的溝槽結(jié)構(gòu)，可在不破壞導(dǎo)通狀態(tài)和截止?fàn)顟B(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(duì)柵極氧化物進(jìn)行了可靠性評(píng)估，結(jié)果如圖 2 所示。

除了上述優(yōu)點(diǎn)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(zhǎng)期運(yùn)行的柵極閾值電壓 (V GS(th) )漂移領(lǐng)域擁有知識(shí)。它提供了設(shè)計(jì)指南，以限制導(dǎo)通電阻 (R DS(on) ) 的相關(guān)增加，因?yàn)樗鼘?duì)應(yīng)用中的用戶產(chǎn)生主要影響。這些優(yōu)點(diǎn)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(yīng)力測(cè)試。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

適用于直流電動(dòng)汽車充電器應(yīng)用的 PFC

單向直流電動(dòng)汽車充電器通常采用Vienna PFC拓?fù)浜蛶в蠰LC諧振轉(zhuǎn)換器和全橋整流器拓?fù)涞腄C-DC部分，如圖3所示。

還有另一種常見的DC-DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即相移全橋（PSFB），其具有不同的拓?fù)浣Y(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(diǎn)關(guān)注直流電動(dòng)汽車充電器應(yīng)用的 PFC。Vienna PFC 拓?fù)鋸V泛應(yīng)用于單向直流電動(dòng)汽車充電器應(yīng)用，如圖 4 所示。

由于SiC二極管的反向恢復(fù)電流比Si二極管低，因此當(dāng)SW1~SW6導(dǎo)通時(shí)，此類電流將流過SW1~SW6。因此，如果反向恢復(fù)電流較小，則可以降低SW1~SW6的導(dǎo)通開關(guān)損耗。因此，1200 V SiC 二極管廣泛應(yīng)用于單向直流電動(dòng)汽車充電器應(yīng)用，以實(shí)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(dòng)汽車充電器拓?fù)?。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

圖 4. 維也納 PFC 拓?fù)?。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

三相全橋拓?fù)?(B6) 也廣泛用于直流電動(dòng)汽車充電器應(yīng)用，如圖 5 所示。

我們知道，這種B6拓?fù)湟部梢杂米髂孀兤鳎虼丝梢杂糜陔p向應(yīng)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?fù)渥優(yōu)橹行渣c(diǎn)鉗位2（NPC2，如圖6）和雙向DC-DC（CLLC，或雙有源橋）拓?fù)?，這是一種雙向充電器拓?fù)?，如圖7所示。

直流電動(dòng)汽車充電器中的雙向功能通常是指當(dāng)電池充電狀態(tài)較高時(shí)，或在某些條件下，例如停電或戶外時(shí)，將電動(dòng)汽車中的電池放電到電網(wǎng)、用電設(shè)備或其他電動(dòng)汽車野營(yíng)。向電網(wǎng)放電也稱為車輛到電網(wǎng)（V2G）技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)包括降低電動(dòng)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(huì)在未來的充電器中得到應(yīng)用，而雙向充電器應(yīng)該會(huì)成為直流電動(dòng)汽車充電器的趨勢(shì)。

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(shì)還有助于雙向直流電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)實(shí)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?fù)?(B6)。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

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

圖 7. 雙向直流電動(dòng)汽車充電器拓?fù)?A。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

圖 8. 雙向直流電動(dòng)汽車充電器拓?fù)?B。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

圖 9. 雙向直流電動(dòng)汽車充電器拓?fù)?C . 圖片由 Bodo’s Power Systems提供

具有不同器件和拓?fù)涞?15 kW PFC 簡(jiǎn)介

單向和雙向直流電動(dòng)汽車充電器應(yīng)用有多種不同的解決方案。該研究重點(diǎn)關(guān)注 PFC 部件，以便比較效率和成本，并為單向和雙向應(yīng)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(shí)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(jìn)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(jià)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(dòng)汽車充電器拓?fù)?，特別是 PFC 部件和 SiC 器件，包括混合 Vienna PFC 和 B6 拓?fù)渲惺褂玫?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(dòng)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(shí)現(xiàn)效率和性價(jià)比。在 B6 拓?fù)渲惺褂镁哂?1200 V SiC MOSFET 的雙向直流 EV 充電器 PFC 部件可實(shí)現(xiàn)效率和性能，并為整個(gè)系統(tǒng)帶來成本效益。