【導(dǎo)讀】雙向功率轉(zhuǎn)換器是可再生能源和電動(dòng)汽車充電器中的關(guān)鍵部件。碳化硅開關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)先前技術(shù)無法達(dá)到的效率水平。

摘要

雙向功率轉(zhuǎn)換器是可再生能源和電動(dòng)汽車充電器中的關(guān)鍵部件。碳化硅開關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)先前技術(shù)無法達(dá)到的效率水平。

太陽能和風(fēng)能等可再生能源的存儲(chǔ)越來越重要，而電池則是一種實(shí)用的儲(chǔ)能解決方案。在電動(dòng)汽車（EV）市場的驅(qū)動(dòng)下，電池可用于從公用事業(yè)到家庭等任何規(guī)模場景應(yīng)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(xù)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(yīng)電能 提供“調(diào)峰”作用，并可為家庭或工業(yè)消費(fèi)者提供資金返現(xiàn)。在這種情況下，需要一個(gè)雙向功率轉(zhuǎn)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(fù)載較輕或沒有本地負(fù)載時(shí)將能量“饋入”回交流線路 。 EV 電池也可以包含在此項(xiàng)應(yīng)用。

雙向轉(zhuǎn)換器效率是關(guān)鍵

雙向轉(zhuǎn)換器的效率顯然是太陽能等系統(tǒng)有效性和投資回報(bào)的關(guān)鍵?，F(xiàn)在，功率轉(zhuǎn)換器中單級實(shí)現(xiàn) 99% 以上的效率很常見，但雙向轉(zhuǎn)換器更難以優(yōu)化其正向和反向能量流。幸運(yùn)的是，當(dāng) MOSFET 用于開關(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，其左右對稱性應(yīng)該很明顯，能量流方向由 MOSFET 驅(qū)動(dòng)裝置 控制。

圖 1：橋式布局中 MOSFET  用作雙向功率轉(zhuǎn)換器。

圖中所示功率因數(shù)校正級是一個(gè)典型“無橋圖騰柱”類型，它在中等功率或更高交錯(cuò)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(dāng)升壓二極管 。對于低傳導(dǎo)損耗 ，電路在連續(xù)傳導(dǎo)模式下“硬開關(guān)” ，電荷在 MOSFET 通道導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)之間的死區(qū)時(shí)間內(nèi)存儲(chǔ)在體二極管中 。每個(gè)周期恢復(fù)這種電荷會(huì)導(dǎo)致功率損耗和 EMI，在使用硅 MOSFET 時(shí)，這種影響可能會(huì)很嚴(yán)重。如果 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(fù)的影響，除非可能在啟動(dòng)、關(guān)閉或負(fù)載階躍時(shí)發(fā)生的瞬態(tài) 。然而，該轉(zhuǎn)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(qiáng)制達(dá)到最小死區(qū)時(shí)間 ，進(jìn)而限制了高頻工作。

SiC MOSFET 能夠解決這些問題

上面討論的問題在很大程度上可通過使用碳化硅 (SiC) MOSFET 得到解決。其反向恢復(fù)電荷約為同類 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(jié) MOSFET(IPW60R070CFD7)  的電荷為 570nC，具有相似的導(dǎo)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(jié) 硅MOSFET 的數(shù)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?yàn)樗兄跍p少漏極上的電壓過沖，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(shè)計(jì)展示了 SiC 的優(yōu)勢

英飛凌參考設(shè)計(jì)(eval_3K3W_TP_PFC_SIC)  [1]（見圖 3）展示了 SiC MOSFET 在雙向 3.3 kW 圖騰柱 PFC 級 中的性能，實(shí)現(xiàn)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(shù)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(jié)論

CoolSiCTM MOSFET在雙向轉(zhuǎn)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(bǔ) 使用的 EiceDRIVERTM 柵極驅(qū)動(dòng)器。還可提供電流感測  IC和用于數(shù)字控制的微控制器。

參考文獻(xiàn)

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

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