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使用碳化硅进行双向车载充电机设计

2022-9-7 13:20| 发布者: 闪电| 查看: 2| 评论: 0

摘要: 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 ...

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。


#1 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。


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图 1:双向 OBC 支持新型车联网的使用案例


#2 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。


#3 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。


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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。


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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 所示的基本二电平三相 PFC 转换器,是三相双向 OBC 最常用的拓扑。


#4 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。


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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。


#5 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。


#6 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。


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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。


1662469730827066.png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。


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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。


#7 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。


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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 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。


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表 3:11 kW 和 22 kW 双向 OBC 的 MOSFET 选择


Wolfspeed 为三相双向 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。


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表 4:用于双向 OBC 的 22 kW 三相 PFC 和 DCDC 的高端规格


#8 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。


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图 7:用于 22 kW 单相设计的交错式图腾柱 PFC


#9 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(为什么在新一代双向车载充电机设计中选择 SiC 而非 Si?)中详细的比较表明,22 kW 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。


#10 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。


英文原稿,敬请访问:

https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/designing-with-silicon-carbide-in-bidirectional-on-board-chargers/


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