【導讀】雙向功率轉換器是可再生能源和電動汽車充電器中的關鍵部件。碳化硅開關能夠實現先前技術無法達到的效率水平。

摘要

雙向功率轉換器是可再生能源和電動汽車充電器中的關鍵部件。碳化硅開關能夠實現先前技術無法達到的效率水平。

太陽能和風能等可再生能源的存儲越來越重要，而電池則是一種實用的儲能解決方案。在電動汽車（EV）市場的驅動下，電池可用于從公用事業到家庭等任何規模場景應用，成本也在不斷下降 。此外，雖然基于碳的 礦物燃料仍在繼續使用，但 電池電能可有效地反饋 到電網中，能夠 為更可靠和更具成本效益地供應電能 提供“調峰”作用，并可為家庭或工業消費者提供資金返現。在這種情況下，需要一個雙向功率轉換器，能夠從交流電 或可再生能源為電池充電，或者在本地負載較輕或沒有本地負載時將能量“饋入”回交流線路 。 EV 電池也可以包含在此項應用。

雙向轉換器效率是關鍵

雙向轉換器的效率顯然是太陽能等系統有效性和投資回報的關鍵。現在，功率轉換器中單級實現 99% 以上的效率很常見，但雙向轉換器更難以優化其正向和反向能量流。幸運的是，當 MOSFET 用于開關和同步整流器 時，它們通常可以配置為雙向。圖 1 顯示了雙向電池充電器/逆變器的示意圖，其左右對稱性應該很明顯，能量流方向由 MOSFET 驅動裝置 控制。

圖 1：橋式布局中 MOSFET  用作雙向功率轉換器。

圖中所示功率因數校正級是一個典型“無橋圖騰柱”類型，它在中等功率或更高交錯功率水平下最佳 ，但其效率受到兩個 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升壓二極管 。對于低傳導損耗 ，電路在連續傳導模式下“硬開關” ，電荷在 MOSFET 通道導通和關斷狀態之間的死區時間內存儲在體二極管中 。每個周期恢復這種電荷會導致功率損耗和 EMI，在使用硅 MOSFET 時，這種影響可能會很嚴重。如果 MOSFET 的輸出電荷 QOSS 很高，并且 每個周期都必須對其進行充電和 放電，那么也會產生過多的功率損耗。

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的影響，除非可能在啟動、關閉或負載階躍時發生的瞬態 。然而，該轉換器也可能受到高 QOSS 值的影響，使得諧振操作 難以在所有條件下保持。高 QOSS 值還會強制達到最小死區時間 ，進而限制了高頻工作。

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 MOSFET(IPW60R070CFD7)  的電荷為 570nC，具有相似的導通電阻。 

使用 SiC MOSFET 時， 輸出電容和由此產生的 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 硅MOSFET 的數值接近變化  8000 倍。高電壓下 SiC 的 非零值可能是一個優勢，因為它有助于減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。

參考設計展示了 SiC 的優勢

英飛凌參考設計(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，實現了 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行全數字控制 。

圖 3：英飛凌采用 SiC MOSFET的高效、雙向、圖騰柱 PFC 級 演示板。

結論

CoolSiCTM MOSFET在雙向轉換器中具有明顯的優勢，英飛凌能夠以分立和模塊形式提供這些產品，以及一系列互補 使用的 EiceDRIVERTM 柵極驅動器。還可提供電流感測  IC和用于數字控制的微控制器。

參考文獻

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

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