研究人员在电动汽车中使用SiC MOSFET可双向充电
文章出处：TLC
责任编辑：天利创
发表时间：2023-11-13
电动汽车的成功在很大程度上取决于为电池充电时长。在电动汽车不断发展中，充电时间逐渐缩短，人们也采用快速充电等先进解决方案，只需几分钟就能充电完成。直接连接到交流电源的车载充电系统，通常每次充电需要四个小时。相反，以直流电运行的快速充电系统可以将充电时间减少到30分钟以内。在充电系统中，基于碳化硅的功率MOSFET发挥着重要作用。碳化硅是一种宽带隙半导体，与硅相比，具有高效率和功率密度、高可靠性和耐用性等优势，可降低解决方案的成本和尺寸。
基于SiC的两级AFE模块
为了处理EV电池的宽电压范围和双向充电/放电，Wolfspeed开发了22kW有源前端(AFE)和灵活的DC/DC转换器，可适用于OBC充电系统和DC快速充电器。建议的解决方案基于RDS(on)=32mΩ的SiCMOSFET，以较低的成本提供非常高的功率密度(4.6kW/L)和效率(>98.5%)。
与其他标准拓扑不同，例如基于六开关IGBT的设计（一种简单但效率低得多的功率密集型解决方案）和T型转换器（一种更复杂且成本更高的解决方案），SiCAFE提供了一种简单的控制和驱动程序接口，以较少的部件数支持双向操作。C3M0032120K是一款采用开尔文源极封装的1.2kV32mΩSiCMOSFET，有助于降低开关损耗和串扰，同时支持–3至15VVgs的驱动电压。AFE设计已针对磁性元件的使用进行了优化，可实现高开关频率(45kHz)，同时磁芯和绕组的功率损耗更低。
AFE还能够支持三相和单相PWM方案、平衡开关损耗并优化热性能、效率和可靠性的数字控制电路。此外，可变直流链路电压控制通过根据感测到的电池电压改变直流总线输出电压并确保CLLC接近谐振频率运行，从而实现高系统效率。
与基于IGBT的传统解决方案相比，SiCMOSFET的效率达到了98.5%，降低了高达38%的功率损耗。此外，碳化硅可实现更低的工作温度，从而实现更好的热管理。在最大功率条件(22kW)下，实测外壳温度为89.4˚C，结点温度为112.4˚C（计算值），基板温度为65˚C。
另一个有趣的应用方案是全桥CLLCDC/DC转换器，其中1.2-kVSiCMOSFET可用于单个两电平高效转换器方案，从而减少部件数量和系统成本.直流链路侧(900V)的工作电流达到22.6ARMS，而电池侧(800V)的工作电流高达28.5ARMS。
结合SiCAFE模块，全桥DC/DC设计受益于AFE，根据检测到的要充电的电池电压提供的可变DC总线电压。这使得CLLC能够在接近谐振频率的情况下运行，从而实现高系统效率。当电池电压变低时，控制将切换到移相模式，降低电路增益，而不会在谐振频率范围之外低效运行。在较低的输出电压（略高于400V）下，CLLC初级作为半桥运行，进一步降低系统增益并将谐振转换器保持在有效的工作区域。半桥模式在总功率范围上有一些限制，但提供了98%的强大峰值效率，即使对于低压电池也是如此。
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