SiC器件在電池系統中的應用解析

電動(dòng)車(chē) (EV) 的發(fā)貨量正在迅速增長(cháng)，預計21世紀20年代還將加速發(fā)展。主要汽車(chē)制造商都已經(jīng)推出了電動(dòng)車(chē)或已制定了推出計劃，它們還積極與伙伴合作，研究最佳的動(dòng)力電子學(xué)方案，從而盡量延長(cháng)單次充電行駛里程和降低成本。SiC器件的主要應用如圖1所示，預測數據表明，到2030年，SiC的發(fā)貨量有望達到 100億美元。電動(dòng)車(chē)最重要的動(dòng)力元件是電動(dòng)車(chē)牽引逆變器，我們將在之后的文章中討論。其他重要轉換器有車(chē)載充電器和直流轉換器。它們越來(lái)越多地涉及雙向功率流，并因快速開(kāi)關(guān)和出色的寄生二極管行為而大大獲益。SiC FET 產(chǎn)品現已符合AEC-Q101 要求，可滿(mǎn)足這些需求。我們會(huì )討論主要拓撲結構，查看使用 SiC 器件的優(yōu)勢，尤其是在電壓較高 (500-800V) 的電池系統中。

圖1：UnitedSiC 優(yōu)勢

車(chē)載充電器拓撲結構

車(chē)載充電器(OBC) 位于車(chē)內，所以它必須能夠使用功率密度和能效都盡可能高的轉換器拓撲結構，以便減小自身體積和重量。選擇哪種拓撲結構取決于功率范圍，可以是6.6KW、11KW，也可以是22KW（電動(dòng)客車(chē)）。在部分情況下，車(chē)載充電器可以是雙向的，這意味著(zhù)電路不僅允許電池從電網(wǎng)獲得電流，電動(dòng)車(chē)還可以充當分布式電源向電網(wǎng)饋電。在這種模式下，電是反向流動(dòng)的，但是峰值運行功率可能比電池充電額定值低（一半）。

圖2 顯示的是專(zhuān)為單向功率流設計的車(chē)載充電器的兩種配置。電路有兩個(gè)主要部分，前端整流器級和直流轉換器級。整流器級對交流主電源電壓進(jìn)行整流，提供具有統一功率因數的直流軌。之后，直流到直流全橋移相級提供精確控制的輸出，以便為電池組充電。在鋰離子電池充電過(guò)程中，電路首先在控制電流模式下運行，然后在功率恒定模式下運行以實(shí)現快速充電，最后在電壓恒定模式下運行，直至電池充滿(mǎn)。

圖2：專(zhuān)為單向功率流設計的車(chē)載充電器中的兩種配置

為了盡可能提高整流器級的能效，無(wú)橋拓撲結構越來(lái)越受歡迎，因為它可以避免二極管整流器橋的導電損耗。圖2 顯示的圖騰柱(TPPFC) 電路，可以用于功率電平較低的情況。該電路含快速開(kāi)關(guān)相腳，而其他電路則以線(xiàn)路頻率開(kāi)關(guān)?？焖匍_(kāi)關(guān)腳可以在連續導電模式(CCM) 和臨界導電模式(CRM) 下運行。在連續導電模式下，開(kāi)關(guān)打開(kāi)存在困難，最佳選項是使用含有出色低 QRR寄生二極管的寬帶隙開(kāi)關(guān)。圖3 比較了器件參數，包括將 UnitedSiC FET 的 QRR與先進(jìn)的超結器件進(jìn)行比較。如果開(kāi)關(guān)頻率超過(guò) 20kHz，則必須使用寬帶隙開(kāi)關(guān)，而UnitedSiC FET 提供的標準柵極驅動(dòng)將使得插入 UnitedSiC FET 以及從超結器件升級為 UnitedSiC FET 變得十分簡(jiǎn)單。

圖3：器件參數比較，包括 UnitedSiC FET 的 QRR 與先進(jìn)的超級器件的比較

如果使用臨界導電模式，則峰值電流會(huì )變得更高，為感應器帶來(lái)額外的約束，并需要導通電阻更低的開(kāi)關(guān)。在沒(méi)有硬打開(kāi)的情況下，可以使用硅基超結FET，至少在較低的總線(xiàn)電壓下可以。即使在這種情況下，使用SiC FET 也行得通，因為現在有導通電阻非常低的選件，而與采用類(lèi)似導通電阻的超結FET 相比，SiC FET 的價(jià)格也越來(lái)越有競爭力。此外，利用 1200V SiC FET，該拓撲結構可以擴展到更高的直流軌電壓，從而使用最小的開(kāi)關(guān)次數增加功率輸出。

對于 11-22KW 這樣較高的功率電平而言，3 相有源前端整流器是出色的選件?？偩€(xiàn)電壓通常為 600-800V，因而需要使用 1200V 器件。此外，圖 2 中的雙電平 3 相電路需要開(kāi)關(guān)損耗低且 QRR低的開(kāi)關(guān)，從而使得 SiC FET 取代IGBT 成為更好的選擇。圖4 顯示的是35mohm，1200V，TO247-4L (UF3C120040K4S) UnitedSiC FAST FET 的打開(kāi)特征和關(guān)閉特征。鑒于器件的打開(kāi)和關(guān)閉損耗非常低，這些器件并聯(lián)使用，以實(shí)現高能效的有源前端整流器。使用4 腳開(kāi)爾文封裝時(shí)，用戶(hù)可以更快地開(kāi)關(guān)，而且損耗更低，柵極波形也更清晰。

圖4：35mohm，1200V，TO247-4L (UF3C120040K4S) UnitedSiC FAST FET 的打開(kāi)特征和關(guān)閉特征

前端整流器的替代方案是 Vienna 整流器，如圖5 所示，它允許將 650V 硅基超結器件與 SiC 肖特基二極管聯(lián)用，以降低成本。在這個(gè)電路中，開(kāi)關(guān)并不會(huì )進(jìn)行硬開(kāi)關(guān)。不過(guò)需要的半導體數量更多，且二極管壓降限制了能實(shí)現的最佳能效。

圖5：Vienna 整流器，允許將 650V 硅基超結器件與 SiC 肖特基二極管聯(lián)用，以降低成本

直流轉換器

如圖2 所示，電池充電器和提供 12V/24V 電能的主力直流轉換器都是移相全橋轉換器。在滿(mǎn)負荷下時(shí)，該電路采用以零壓開(kāi)關(guān)(ZVS) 方式打開(kāi)的 FET，并采用緩沖電容器來(lái)盡量降低整個(gè)器件的關(guān)閉損耗。該電路可以在高頻 (100-300kHz) 下運行，且能效高。SiC FET 的導電損耗和關(guān)閉損耗低，且其柵極驅動(dòng)要求簡(jiǎn)單，是理想的選擇。對于可在 0 至12V 下驅動(dòng)或由輸出 -12/0/12V 電壓的簡(jiǎn)單脈沖變壓器驅動(dòng)的 UnitedSiC FET，情況也是如此。在輕負荷條件下，可能會(huì )發(fā)生硬開(kāi)關(guān)，這會(huì )導致超結 FET 出現問(wèn)題，也更容易發(fā)生二極管恢復感應故障，且IGBT 電路容易產(chǎn)生更大的損耗。

圖 6 中顯示的LLC 拓撲結構是一個(gè)非常出色的選擇，尤其是在輸出電壓固定時(shí)。這個(gè)拓撲結構在輸出固定的直流轉換器級中最為常見(jiàn)，而移相全橋拓撲結構則更適合處理可變輸出電壓。在總線(xiàn)電壓較低時(shí)，LLC 電路中會(huì )使用超結 FET 與快速二極管。而在電壓較高時(shí)，IGBT 功率損耗變得過(guò)高，因而更適合選擇 SiC FET。

圖6：在總線(xiàn)電壓較低時(shí)，LLC 電路中使用超結 FET 與快速二極管。在電壓較高時(shí)，IGBT 功率損耗會(huì )變得過(guò)高，因而適合選擇 SiC FET

即使在總線(xiàn)電壓較低的情況下，UnitedSiC 650V SiC FET 也能實(shí)現非常低的柵極電荷，非常短的輸出電容充電時(shí)間和非常低的寄生二極管導電損耗，可以用于將LLC 運行頻率從 100kHz 提高到500kHz。TO247-4L 封裝中的導通電阻現在可以低至 7mohm，650V。對于低輪廓空間約束的應用，可以在行業(yè)標準 DFN8x8 封裝中使用 27mohm，650V 器件。

對于雙向直流轉換，圖 7 顯示的是雙有源橋 (DAB) 和CLLC 電路，其中輸出側采用有源開(kāi)關(guān)。對于電池充電，因為輸出電壓變化范圍廣，所以可以通過(guò)變換柵極 PWM 波形從固定的直流總線(xiàn)控制 DAB。如果采用CLLC 拓撲結構，則為了維持直流轉直流級的運行近共振，必須通過(guò)改變有源整流器級（圖騰柱PFC 或3 相有源前端）的控制方案來(lái)改變總線(xiàn)電壓。在這兩種情況下，都必須在副邊側使用 SiC FET 以便在反模式下有效進(jìn)行硬開(kāi)關(guān)。這些 FET 可以是 650V 至1200V FET（用于電池充電），也可以是100-150V 等級內的較低壓硅 FET（可實(shí)現 12V/24V 輸出）。

圖7：雙有源橋 (DAB) 和CLLC 電路，其中輸出側采用有源開(kāi)關(guān)

輕松過(guò)渡

寬帶隙 SiC FET 支持使用更完善的拓撲結構和更高的頻率來(lái)實(shí)現大功率密度和能效目標。系統層面的電動(dòng)車(chē)空間增加可以輕易抵消較高的開(kāi)關(guān)成本。UnitedSiC FET 具備與所有類(lèi)型柵極驅動(dòng)電壓兼容這個(gè)重要優(yōu)勢，所以可以插入基于硅的設計和 SiC MOSFET 設計中。在全世界設計師越來(lái)越多地采用SiC 器件部署的過(guò)程中，這個(gè)優(yōu)勢可以讓他們輕松完成過(guò)渡，有時(shí)只需對現有的基于硅的設計進(jìn)行升級即可。

近期發(fā)展

下一階段很可能要涉及集成驅動(dòng)器和FET 級，例如圖 8 中所示的帶驅動(dòng)器的 SIP 半橋，它使用 35mohm，1200V 堆疊式共源共柵開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)波形表明，此類(lèi)器件支持非?？?、非常清晰的開(kāi)關(guān)，可以用作本文中所述的所有電路選項的構建塊。

圖8：集成驅動(dòng)器和FET 級，例如所示的帶驅動(dòng)器的 SIP 半橋，它使用 35mohm，1200V 堆疊式共源共柵開(kāi)關(guān)

SiC FET 技術(shù)迅速發(fā)展，正在開(kāi)發(fā)中的2020 版本開(kāi)關(guān)的性能表征能提高2 倍。再加上分立封裝改進(jìn)與基于 SiC 的智能功率模塊的推出，這三項進(jìn)步會(huì )隨著(zhù)電動(dòng)車(chē)部署的不斷增加進(jìn)一步提高功率密度。