Двунаправленная зарядка для использования SiC MOSFET в электромобилях

Успех электромобилей и, в более общем плане, электромобильности во многом зависит от времени, необходимого для зарядки аккумуляторов. Время зарядки, долгое время считавшееся одним из слабых мест электромобилей, постепенно сокращается благодаря передовым решениям, таким как быстрая зарядка, которая занимает всего несколько минут.

Бортовые системы зарядки ( OBC), подключенные непосредственно к сети переменного тока, обычно требуют не менее четырех часов для каждой зарядки. И наоборот, системы быстрой зарядки, работающие от постоянного тока, могут сократить время зарядки до менее 30 минут.

В системах зарядки силовые полевые МОП-транзисторы на основе карбида кремния (SiC) играют фундаментальную роль. SiC — это полупроводник с широкой запрещенной зоной, который по сравнению с кремнием предлагает такие преимущества, как высокий КПД и удельная мощность, высокая надежность и долговечность, что снижает как стоимость, так и размер решения.

Несмотря на разные требования к питанию и технические характеристики, обе системы зарядки могут выиграть от использования SiC MOSFET, которые могут управлять широким диапазоном напряжений (обычно от 200 В до 800 В) батарей, установленных в электромобилях , снижение потерь мощности до 40%, увеличение удельной мощности на 50%, уменьшение вдвое количества активных компонентов и снижение общей стоимости решения.

Серия SiC MOSFET 1,2 кВ Wolfspeed не только отвечает этим требованиям, но и управляет процессом двунаправленного заряда и разряда, заменяя транзисторы IGBT , используемые в текущих топологиях схем зарядки.

Сравнение OBC и системы быстрой зарядки

Двухуровневый блок AFE на основе SiC

Для работы с аккумулятором электромобилей в широком диапазоне напряжений и двунаправленной зарядки и разрядки компания Wolfspeed разработала активный интерфейс (AFE) мощностью 22 кВт и гибкий преобразователь постоянного тока в постоянный, который можно адаптировать как к системам бортовой зарядки ( OBC ) , так и к быстрым зарядным устройствам постоянного тока.

Предлагаемое решение, основанное на SiC MOSFET на 1200 В с RDS (on) = 32 мОм, обеспечивает очень высокую плотность мощности (4,6 кВт/л) и КПД (> 98,5%) при более низкой стоимости.

Простой двухуровневый SiC AFE, разработанный Wolfspeed

В отличие от других стандартных топологий, таких как конструкция на основе IGBT с шестью переключателями (простое, но гораздо менее эффективное и энергоемкое решение) и преобразователь T-типа (более сложное и дорогое решение), SiC AFE предлагает простое управление и интерфейс драйвера, поддерживающий двунаправленную работу с меньшим количеством деталей.

C3M0032120K, SiC MOSFET на 1,2 кВ и 32 мОм, помогает снизить коммутационные потери и перекрестные помехи, обеспечивая при этом легкое управляющее напряжение от –3 до 15 Вольт.

Конструкция AFE оптимизирована для использования магнетиков, достигая высокой частоты переключения (45 кГц) с меньшими потерями мощности как на сердечнике, так и на обмотке.

AFE также использует цифровую схему управления, способную поддерживать как трехфазные, так и однофазные схемы ШИМ , уравновешивая коммутационные потери и оптимизируя тепловые характеристики, эффективность и надежность.

Кроме того, регулируемое управление напряжением промежуточного контура обеспечивает высокую эффективность системы за счет изменения выходного напряжения на шине постоянного тока в зависимости от измеренного напряжения батареи и обеспечения работы CLLC, близкой к резонансной частоте.

По сравнению с традиционным решением на основе IGBT (максимальная эффективность которого составляет 96%), SiC MOSFET достигает КПД 98,5%, снижая потери мощности до 38%. Кроме того, SiC позволяет снизить рабочие температуры и, следовательно, улучшить терморегулирование. В условиях максимальной мощности (22 кВт) она составила 89,4 °C для корпуса, 112,4 °C (расчет) в месте соединения и 65 °C для опорной плиты.

Полномостовой преобразователь постоянного тока CLLC с SiC MOSFET 1,2 кВ

Другой интересной схемой применения является полномостовой преобразователь постоянного тока в постоянный CLLC, в котором SiC MOSFET 1,2 кВ могут использоваться в одноуровневой схеме высокоэффективного преобразователя, что снижает как количество деталей, так и стоимость системы. Рабочие токи на стороне промежуточного звена (900 В) достигают 22,6 А (среднеквадратичное значение), а на стороне батареи (800 В) — до 28,5 А (среднеквадратичное значение).

Одиночный двухуровневый преобразователь на основе SiC

В сочетании с блоком SiC AFE полномостовая конструкция DC/DC извлекает выгоду из переменного напряжения на шине постоянного тока, обеспечиваемого AFE на основе измеренного напряжения батареи, которая должна заряжаться. Это позволяет CLLC работать близко к резонансной частоте, достигая высокой эффективности системы.

Когда напряжение батареи становится низким, управление переключится в режим фазового сдвига, уменьшая усиление схемы без неэффективной работы за пределами диапазона резонансных частот.

При более низких выходных напряжениях (чуть выше 400 В) первичная обмотка CLLC работает как полумост, что дополнительно снижает коэффициент усиления системы и поддерживает резонансный преобразователь в эффективной рабочей зоне. Режим полумоста имеет некоторые ограничения в общем диапазоне мощности, но обеспечивает высокий пиковый КПД 98% даже для низковольтных батарей.