【導(dǎo)讀】隨著內(nèi)燃機(jī)作為汽車主要?jiǎng)恿υ吹臅r(shí)代逐漸消逝，汽車行業(yè)青睞電動(dòng)機(jī)作為替代選擇。反過(guò)來(lái)，汽車 OEM 也希望半導(dǎo)體行業(yè)能夠提供實(shí)現(xiàn)電氣化未來(lái)所需的電子創(chuàng)新。純電動(dòng)汽車 (BEV) 是，每個(gè)人都希望在必要的知識(shí)方面處于地位，以使其盡可能具有吸引力。然而，許多人對(duì)汽車內(nèi)的設(shè)備和功能過(guò)于興奮，而汽車?yán)m(xù)航里程和充電仍然是主要問(wèn)題。
隨著內(nèi)燃機(jī)作為汽車主要?jiǎng)恿υ吹臅r(shí)代逐漸消逝，汽車行業(yè)青睞電動(dòng)機(jī)作為替代選擇。反過(guò)來(lái)，汽車 OEM 也希望半導(dǎo)體行業(yè)能夠提供實(shí)現(xiàn)電氣化未來(lái)所需的電子創(chuàng)新。純電動(dòng)汽車 (BEV) 是，每個(gè)人都希望在必要的知識(shí)方面處于地位，以使其盡可能具有吸引力。然而，許多人對(duì)汽車內(nèi)的設(shè)備和功能過(guò)于興奮，而汽車?yán)m(xù)航里程和充電仍然是主要問(wèn)題。
寬帶隙 (WBG) 技術(shù)（例如碳化硅 (SiC)）受益于汽車電源的這種變化，并且比我們以前依賴的傳統(tǒng)功率器件（例如 IGBT）具有顯著優(yōu)勢(shì)。無(wú)源元件制造商也在努力。電感器的創(chuàng)新有助于確保 WBG 作為更快開關(guān)拓?fù)涞膬?yōu)勢(shì)，從而提供更大的范圍和更快、更可靠的充電技術(shù)。
所有這些都有切實(shí)的需求支撐。電動(dòng)汽車的收入預(yù)計(jì)將在 2024 年達(dá)到 6200 億美元以上，并以每年 10% 的速度增長(zhǎng)，到 2020 年，道路上將增加 1300 多萬(wàn)輛電動(dòng)汽車。隨著新一代 SiC MOSFET 的發(fā)布和改進(jìn)的無(wú)源器件的定期推出，大多數(shù)工程師都會(huì)想知道如何有效且高效地評(píng)估它們的優(yōu)勢(shì)。
電動(dòng)汽車電源轉(zhuǎn)換器模塊的共性
重點(diǎn)領(lǐng)域之一是電動(dòng)汽車充電。純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車(PHEV) 均配備車載充電器(OBC)，支持 3.6 kW 至 22 kW 的功率范圍。這些充電器可通過(guò)家中、路邊或停車場(chǎng)的專用壁掛式充電箱或充電站提供交流電。對(duì)于停在家中或工作場(chǎng)所的車輛，在汽車停放時(shí)充電是理想的選擇。對(duì)于長(zhǎng)途旅行，直流充電器可在途中提供快速充電。這些充電器可提供 40 – 300 kW 甚至更高的功率，繞過(guò) OBC，在大約 20 到 60 分鐘內(nèi)提供 80% 的電量。
兩種充電器的基本結(jié)構(gòu)相同。交流電被饋入功率因數(shù)校正 (PFC) 單元，然后由 DC/DC 轉(zhuǎn)換器為車輛電池的充電電路供電（圖 1）。
圖 1. 電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的基本模塊。
功率效率對(duì)于減少散熱和節(jié)省能源至關(guān)重要，而可用空間和設(shè)計(jì)重量目標(biāo)則對(duì)功率密度要求施加壓力。此外，電動(dòng)汽車被視為平衡電網(wǎng)干擾（車輛到電網(wǎng)，V2G）甚至在緊急情況下為家庭供電（車輛到家庭，V2H）的潛在電源。充電器需要雙向拓?fù)?，這讓我們走向圖騰柱式 PFC、雙有源橋 (DAB) 和 LLC DC/DC 轉(zhuǎn)換器。所有這些拓?fù)涠际褂脴虮郏鴱碾妱?dòng)汽車的電機(jī)逆變器來(lái)看，這種電子元件也出現(xiàn)在那里。
圖 2. 橋臂在 PFC、DC/DC 和逆變器設(shè)計(jì)中很常見。圖片由Bodo’s Power Systems提供
探索基于 SiC 的設(shè)計(jì)的模塊化方法
所討論的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都不容易設(shè)計(jì)，測(cè)試期間會(huì)產(chǎn)生高電壓和電流。但是，這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中重復(fù)的電路元件提供了使用模塊化快速評(píng)估不同方法的機(jī)會(huì)。例如，輸入電感器、單橋臂和輸出電容器可以在 PFC 電路內(nèi)隔離。然后可以將輸入和輸出電壓和電流測(cè)量以及 SiC MOSFET 的控制分配給執(zhí)行系統(tǒng)控制的第四個(gè)元件。為此，專用于數(shù)字電源轉(zhuǎn)換器應(yīng)用的微控制器是理想的選擇（圖 3）。
圖 3. PFC 可分解為輸入電感器、輸出電容器、橋臂和控制塊。許多塊也用于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和電機(jī)逆變器。圖片由Bodo’s Power Systems [PDF]提供
這是東芝為探索在滿足功率水平要求的同時(shí)創(chuàng)建緊湊型設(shè)計(jì)的模塊化電動(dòng)汽車充電器參考設(shè)計(jì)概念（圖 4）而開展的可行性研究所采用的方法。它將設(shè)計(jì)分解為七個(gè)印刷電路板 (PCB)。其是開關(guān)板，該開關(guān)板具有四個(gè) SiC MOSFET，采用三級(jí)中性點(diǎn)鉗位 (NPC) 設(shè)計(jì)。這支持在開關(guān)之間共享熱負(fù)載和電壓應(yīng)力，并減少電感器上的伏秒紋波。兩個(gè) SiC 肖特基勢(shì)壘二極管 (SBD)、四個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)復(fù)雜可編程邏輯器件 (CPLD) 可產(chǎn)生的開關(guān)和所需的四個(gè)控制信號(hào)，完善了設(shè)計(jì)。
SiC MOSFET包括一個(gè)片上集成內(nèi)置肖特基勢(shì)壘二極管 (SBD)，其正向電壓僅為 1.35V。這種集成 SBD 是限制工作壽命內(nèi)導(dǎo)通電阻變化的關(guān)鍵。R DS(ON) × Q gd（柵極漏極電荷）也比第二代 SiC 器件低 80%，而更寬的 V GSS額定值（-10V 至 +25V）簡(jiǎn)化了柵極驅(qū)動(dòng)器電路設(shè)計(jì)。
與任何電源轉(zhuǎn)換器一樣，需要在應(yīng)用的整個(gè)使用壽命內(nèi)對(duì)開關(guān)進(jìn)行控制。這是使用光隔離 TLP5214 柵極驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)的，該驅(qū)動(dòng)器可提供 ±4.0A 輸出以實(shí)現(xiàn)快速切換，然后與東芝的第三代 SiC MOSFET 配對(duì)。該驅(qū)動(dòng)器還具有集成有源米勒鉗位，可避免寄生 dV/dt 觸發(fā)導(dǎo)通。
利用緊湊型立方體 PFC 設(shè)計(jì)的功能
為了在所需功率水平下實(shí)現(xiàn)緊湊的立方體設(shè)計(jì)，在高電流路徑中使用銅軌和將電路板固定在一起的機(jī)械金屬墊片實(shí)現(xiàn)互連。這會(huì)導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)的寄生電感增加，從而限制了可以使用的開關(guān)速度，但保持了 PCB 技術(shù)的簡(jiǎn)單性。
圖 4. SiC Cube PFC 設(shè)計(jì)中的載流機(jī)械互連和銅軌細(xì)節(jié)。圖片由Bodo’s Power Systems提供 [PDF]
電感器和電容器板（圖 5）都具有相同的電流和電壓測(cè)量電路。電流使用霍爾傳感器測(cè)量，而電壓使用 TLP7820 隔離運(yùn)算放大器差分測(cè)量。在輸入端，它們使用 sigma-delta 模數(shù) (ADC) 轉(zhuǎn)換器來(lái)驅(qū)動(dòng) LED。產(chǎn)生的光信號(hào)通過(guò) 1 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 和低通濾波器轉(zhuǎn)換后輸入放大器。這種方法提供高增益精度 (±0.5%)、小增益漂移 (0.00012 V/°C) 和低非線性 (V IN = ±200 mV 時(shí)為 0.02%)。TLP7820 已獲??得 UL/cUL 和 VDE/CQC 批準(zhǔn)。
圖 5. 電容板和電感板都具有相同的電流和電壓測(cè)量電路。圖片由Bodo’s Power Systems提供 [PDF]
橫跨橋臂、電容器和電感器板的是控制器板，該板具有 TXZ+ Arm Cortex-M4F 微控制器。它特別適合數(shù)字電源控制的原因在于其先進(jìn)的脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 模塊，其中包括具有死區(qū)時(shí)間控制的三相互補(bǔ)輸出。此外，它可以在硬件中與 12 位片上 ADC 進(jìn)行的模擬測(cè)量同步。還提供三個(gè)增益可選的運(yùn)算放大器。微控制器還具有矢量引擎塊，可以卸載和加速?gòu)?fù)雜的計(jì)算，如正弦和余弦以及 Clarke 和 Park 變換，這對(duì) PFC 和電機(jī)逆變器應(yīng)用也大有裨益。
高功率密度，可重復(fù)使用
利用的 SiC MOSFET 技術(shù)，這種緊湊型長(zhǎng)方體 PFC 設(shè)計(jì)旨在以 0.99 的功率因數(shù)和高達(dá) 99% 的效率提供 22 kW 的功率。其尺寸為 140 × 140 × 210 mm3 ，相當(dāng)于 3 kW/dm3 的功率密度。由于其模塊化，橋臂 SiC MOSFET、電容器、電感器和微控制器板可以輕松地在其他電源轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中試用，從而減輕開發(fā)負(fù)擔(dān)。通過(guò)創(chuàng)建這種模塊化設(shè)計(jì)概念，東芝旨在支持新接觸 WBG 技術(shù)的開發(fā)團(tuán)隊(duì)，并探索 SiC MOSFET 的穩(wěn)健性、工作溫度下的較低 RDS(ON) 和更高的開關(guān)頻率能力，對(duì)許多人來(lái)說(shuō)，這仍然是一項(xiàng)新技術(shù)。
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