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雙向功率轉(zhuǎn)換器受益于 CoolSiCTM MOSFET

發(fā)布時(shí)間:2021-09-15 來(lái)源:英飛凌科技 責(zé)任編輯:lina

【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(kāi)關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)先前技術(shù)無(wú)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(kāi)關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)先前技術(shù)無(wú)法達(dá)到的效率水平。
 
太陽(yáng)能和風(fēng)能等可再生能源的存儲(chǔ)越來(lái)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(chǎng)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(chǎng)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(méi)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(yáng)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(jí)實(shí)現(xiàn) 99% 以上的效率很常見(jiàn),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(kāi)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(duì)稱性應(yīng)該很明顯,能量流方向由 MOSFET 驅(qū)動(dòng)裝置 控制。
 
雙向功率轉(zhuǎn)換器受益于 CoolSiCTM MOSFET
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(jí)是一個(gè)典型“無(wú)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(duì)于低傳導(dǎo)損耗 ,電路在連續(xù)傳導(dǎo)模式下“硬開(kāi)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(duì)其進(jìn)行充電和 放電,那么也會(huì)產(chǎn)生過(guò)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(wèn)題
 
上面討論的問(wèn)題在很大程度上可通過(guò)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(jí)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(jí)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(shì),因?yàn)樗兄跍p少漏極上的電壓過(guò)沖,否則將需要高柵極電阻值,從而降低可控性。
 
雙向功率轉(zhuǎn)換器受益于 CoolSiCTM MOSFET
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(shì)
 
英飛凌參考設(shè)計(jì)(EVAL_3K3W_TP_PFC_SIC)  [1](見(jiàn)圖 3)展示了 SiC MOSFET 在雙向 3.3 kW 圖騰柱 PFC 級(jí) 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 。
 
雙向功率轉(zhuǎn)換器受益于 CoolSiCTM MOSFET
圖 3:英飛凌采用 SiC MOSFET的高效、雙向、圖騰柱 PFC 級(jí) 演示板。
 
結(jié)論
 
CoolSiCTM MOSFET在雙向轉(zhuǎn)換器中具有明顯的優(yōu)勢(shì),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(cè)  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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