電動汽車 (EV) 以及更普遍的電動汽車的成功在很大程度上取決于為電池充電所需的時(shí)間。長期以來被認(rèn)為是電動汽車的弱點(diǎn)之一，充電時(shí)間逐漸減少，快速充電等先進(jìn)的解決方案僅需幾分鐘。直接連接到交流電源的車載充電系統(tǒng) (OBC) 通常每次充電至少需要四個(gè)小時(shí)。相反，以直流電運(yùn)行的快速充電系統(tǒng)可以將充電時(shí)間縮短到 30 分鐘以下。在充電系統(tǒng)中，基于碳化硅 (SiC) 的功率 MOSFET 發(fā)揮著重要作用。SiC 是一種寬帶隙半導(dǎo)體，與硅相比，它具有高效率和功率密度、高可靠性和耐用性等優(yōu)點(diǎn)，可降低解決方案的成本和尺寸。

如圖 1 所示，盡管有不同的功率要求和技術(shù)規(guī)格，但兩種充電系統(tǒng)都可以從使用 SiC MOSFET 中受益，它可以管理安裝在 EV 中的電池的寬電壓范圍（通常在 200 V 和 800 V 之間），將功率損耗降低多達(dá) 40%，將功率密度提高 50%，將有源組件的數(shù)量減半，并降低解決方案的總體成本。Wolfspeed 的 1.2kV SiC MOSFET 系列不僅滿足這些要求，而且管理雙向充電/放電過程，取代了當(dāng)前充電電路拓?fù)?/a>中使用的 IGBT 晶體管。

圖 1：OBC 和快充系統(tǒng)對比

基于 SiC 的兩級 AFE 模塊

為了處理 EV 電池的寬電壓范圍和雙向充電/放電，Wolfspeed 開發(fā)了 22 kW 有源前端 (AFE) 和靈活的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，可同時(shí)適應(yīng) OBC 充電系統(tǒng)和直流快速充電器。建議的解決方案基于 RDS(on) = 32 mΩ（圖 2）的 1,200-V SiC MOSFET，以較低的成本提供非常高的功率密度 (4.6 kW/L) 和效率 (>98.5%)。

圖 2：Wolfspeed 設(shè)計(jì)的簡單兩級 SiC AFE

與其他標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，例如基于六開關(guān) IGBT 的設(shè)計(jì)（一種簡單但效率低得多且功率密集的解決方案）和 T 型轉(zhuǎn)換器（一種更復(fù)雜且成本更高的解決方案），SiC AFE 提供了一種簡單的控制和驅(qū)動器接口，支持以較少的部件數(shù)進(jìn)行雙向操作。C3M0032120K 是一款采用開爾文源封裝的 1.2kV 32mΩ SiC MOSFET，有助于降低開關(guān)損耗和串?dāng)_，同時(shí)實(shí)現(xiàn) –3 至 15V Vgs 的輕松驅(qū)動電壓。AFE 設(shè)計(jì)針對磁性元件的使用進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了高開關(guān)頻率 (45 kHz)，同時(shí)降低了鐵芯和繞組的功率損耗。

AFE 還使用能夠同時(shí)支持三相和單相 PWM 方案、平衡開關(guān)損耗并優(yōu)化熱性能、效率和可靠性的數(shù)字控制電路。此外，可變直流母線電壓控制通過根據(jù)檢測到的電池電壓改變直流母線輸出電壓并確保 CLLC 接近諧振頻率運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)高系統(tǒng)效率。圖 3（頂部）顯示了充電（圖騰柱操作）和放電（交錯(cuò)操作）時(shí)的單相模式波形。圖 3（底部）中的波形總諧波失真小于 5%，而是指三相腿 AFE 配置。

圖 3：（上）單相交流電測試結(jié)果 AC/DC 波形和三相交流電測試結(jié)果 AC/DC 波形（下）

與基于 IGBT 的傳統(tǒng)解決方案（最大效率為 96%）相比，SiC MOSFET 的效率達(dá)到 98.5%，功率損耗降低高達(dá) 38%。此外，SiC 允許更低的工作溫度，因此可以實(shí)現(xiàn)更好的熱管理。在最大功率條件 (22 kW) 下，外殼測得 89.4°C，結(jié)點(diǎn)處測得 112.4°C（計(jì)算值），基板處測得 65°C。圖 4 顯示了與通過測試獲得的結(jié)果相關(guān)的效率曲線。

圖 4：單相充電/放電和三相充電模式的 AFE 效率圖

具有 1.2kV SiC MOSFET 的全橋 CLLC DC/DC 轉(zhuǎn)換器

另一個(gè)有趣的應(yīng)用方案是全橋 CLLC DC/DC 轉(zhuǎn)換器，其中 1.2kV SiC MOSFET 可用于單個(gè)、兩級高效轉(zhuǎn)換器方案（圖 5），從而減少部件數(shù)量和系統(tǒng)成本. 直流鏈路側(cè) (900 V) 的工作電流達(dá)到 22.6 A RMS，而電池側(cè) (800 V) 的工作電流高達(dá) 28.5 A RMS。

圖 5：基于 SiC 的單個(gè)兩電平轉(zhuǎn)換器

結(jié)合 SiC AFE 模塊，全橋 DC/DC 設(shè)計(jì)受益于 AFE 根據(jù)感應(yīng)到的待充電電池電壓提供的可變直流總線電壓。這使得 CLLC 可以接近諧振頻率運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)高系統(tǒng)效率。當(dāng)電池電壓變低時(shí)，控制將切換到相移模式，從而降低電路增益，而不會在諧振頻率范圍之外低效運(yùn)行。在較低的輸出電壓（略高于 400 V）下，CLLC 初級作為半橋運(yùn)行，進(jìn)一步降低系統(tǒng)增益并將諧振轉(zhuǎn)換器保持在高效工作區(qū)域。半橋模式在總功率范圍上有一些限制，但提供了 98% 的強(qiáng)大峰值效率，即使對于低壓電池也是如此。