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。碳化矽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，電池可用於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
，雖然基於碳的 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，並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係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 用於開關和同步整流器 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 控製。

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 的體二極管限製，這些體二極管在交流電源的交替極性上充當升壓二極管 。對於低傳導損耗 ，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 。每個周期恢複這種電荷會導致功率損耗和 EMI，在使用矽 MOSFET 時，這種影響可能會很嚴重。如果 MOSFET 的輸出電荷 QOSS 很高，並且 每個周期都必須對其進行充電和 放電，那麼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複的影響，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 值還會強製達到最小死區時間 ，進而限製了高頻工作。

 

SiC MOSFET 能夠解決這些問題

 

上麵討論的問題在很大程度上可通過使用碳化矽 (SiC) MOSFET 得到解決。其反向恢複電荷約為同類 si-MOSFET 值的 20%，而 QOSS 約為六分之一。例如
，英飛淩的650V CoolSiCTM SiC MOSFET(IMZA65R048M1H)  具有 125nC 的電荷
，而基於矽的 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 矽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，因為它有助於減少漏極上的電壓過衝
，否則將需要高柵極電阻值，從而降低可控性。

 

圖 2：與矽器件相比

，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

 

英飛淩參考設計(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%。使用英飛淩 XMCTM 係列微控製器能夠進行全數字控製 。

 

圖 3：英飛淩采用 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，英飛淩能夠以分立和模塊形式提供這些產品，以及一係列互補 使用的 EiceDRIVERTM 柵極驅動器。還可提供電流感測  IC和用於數字控製的微控製器。

 

參考文獻

 

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