【導(dǎo)讀】隨著內(nèi)燃機作為汽車主要動力源的時代逐漸消逝，汽車行業(yè)青睞電動機作為替代選擇。反過來，汽車 OEM 也希望半導(dǎo)體行業(yè)能夠提供實現(xiàn)電氣化未來所需的電子創(chuàng)新。純電動汽車 (BEV) 是，每個人都希望在必要的知識方面處于地位，以使其盡可能具有吸引力。然而，許多人對汽車內(nèi)的設(shè)備和功能過于興奮，而汽車續(xù)航里程和充電仍然是主要問題。
隨著內(nèi)燃機作為汽車主要動力源的時代逐漸消逝，汽車行業(yè)青睞電動機作為替代選擇。反過來，汽車 OEM 也希望半導(dǎo)體行業(yè)能夠提供實現(xiàn)電氣化未來所需的電子創(chuàng)新。純電動汽車 (BEV) 是，每個人都希望在必要的知識方面處于地位，以使其盡可能具有吸引力。然而，許多人對汽車內(nèi)的設(shè)備和功能過于興奮，而汽車續(xù)航里程和充電仍然是主要問題。
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。無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)拓撲的優(yōu)勢，從而提供更大的范圍和更快、更可靠的充電技術(shù)。
所有這些都有切實的需求支撐。電動汽車的收入預(yù)計將在 2024 年達到 6200 億美元以上，并以每年 10% 的速度增長，到 2020 年，道路上將增加 1300 多萬輛電動汽車。隨著新一代 SiC MOSFET 的發(fā)布和改進的無源器件的定期推出，大多數(shù)工程師都會想知道如何有效且高效地評估它們的優(yōu)勢。
電動汽車電源轉(zhuǎn)換器模塊的共性
重點領(lǐng)域之一是電動汽車充電。純電動汽車和插電式混合動力汽車(PHEV) 均配備車載充電器(OBC)，支持 3.6 kW 至 22 kW 的功率范圍。這些充電器可通過家中、路邊或停車場的專用壁掛式充電箱或充電站提供交流電。對于停在家中或工作場所的車輛，在汽車停放時充電是理想的選擇。對于長途旅行，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 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. 電動汽車充電系統(tǒng)的基本模塊。
功率效率對于減少散熱和節(jié)省能源至關(guān)重要，而可用空間和設(shè)計重量目標則對功率密度要求施加壓力。此外，電動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。充電器需要雙向拓撲，這讓我們走向圖騰柱式 PFC、雙有源橋 (DAB) 和 LLC DC/DC 轉(zhuǎn)換器。所有這些拓撲都使用橋臂，而從電動汽車的電機逆變器來看，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)計中很常見。圖片由Bodo’s Power Systems提供
探索基于 SiC 的設(shè)計的模塊化方法
所討論的拓撲結(jié)構(gòu)都不容易設(shè)計，測試期間會產(chǎn)生高電壓和電流。但是，這些拓撲結(jié)構(gòu)中重復(fù)的電路元件提供了使用模塊化快速評估不同方法的機會。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量以及 SiC MOSFET 的控制分配給執(zhí)行系統(tǒng)控制的第四個元件。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創(chuàng)建緊湊型設(shè)計的模塊化電動汽車充電器參考設(shè)計概念（圖 4）而開展的可行性研究所采用的方法。它將設(shè)計分解為七個印刷電路板 (PCB)。其是開關(guān)板，該開關(guān)板具有四個 SiC MOSFET，采用三級中性點鉗位 (NPC) 設(shè)計。這支持在開關(guān)之間共享熱負載和電壓應(yīng)力，并減少電感器上的伏秒紋波。兩個 SiC 肖特基勢壘二極管 (SBD)、四個柵極驅(qū)動器和一個復(fù)雜可編程邏輯器件 (CPLD) 可產(chǎn)生的開關(guān)和所需的四個控制信號，完善了設(shè)計。
SiC MOSFET包括一個片上集成內(nèi)置肖特基勢壘二極管 (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）簡化了柵極驅(qū)動器電路設(shè)計。
與任何電源轉(zhuǎn)換器一樣，需要在應(yīng)用的整個使用壽命內(nèi)對開關(guān)進行控制。這是使用光隔離 TLP5214 柵極驅(qū)動器實現(xiàn)的，該驅(qū)動器可提供 ±4.0A 輸出以實現(xiàn)快速切換，然后與東芝的第三代 SiC MOSFET 配對。該驅(qū)動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)計的功能
為了在所需功率水平下實現(xiàn)緊湊的立方體設(shè)計，在高電流路徑中使用銅軌和將電路板固定在一起的機械金屬墊片實現(xiàn)互連。這會導(dǎo)致實現(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)的簡單性。
圖 4. SiC Cube PFC 設(shè)計中的載流機械互連和銅軌細節(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量電路。電流使用霍爾傳感器測量，而電壓使用 TLP7820 隔離運算放大器差分測量。在輸入端，它們使用 sigma-delta 模數(shù) (ADC) 轉(zhuǎn)換器來驅(qū)動 LED。產(chǎn)生的光信號通過 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 時為 0.02%)。TLP7820 已獲??得 UL/cUL 和 VDE/CQC 批準。
圖 5. 電容板和電感板都具有相同的電流和電壓測量電路。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的脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 模塊，其中包括具有死區(qū)時間控制的三相互補輸出。此外，它可以在硬件中與 12 位片上 ADC 進行的模擬測量同步。還提供三個增益可選的運算放大器。微控制器還具有矢量引擎塊，可以卸載和加速復(fù)雜的計算，如正弦和余弦以及 Clarke 和 Park 變換，這對 PFC 和電機逆變器應(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)，這種緊湊型長方體 PFC 設(shè)計旨在以 0.99 的功率因數(shù)和高達 99% 的效率提供 22 kW 的功率。其尺寸為 140 × 140 × 210 mm3 ，相當于 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)負擔。通過創(chuàng)建這種模塊化設(shè)計概念，東芝旨在支持新接觸 WBG 技術(shù)的開發(fā)團隊，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，對許多人來說，這仍然是一項新技術(shù)。
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