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寬帶隙器件如何在汽車雙向電源轉換中增加價值

2020-04-27
來源:21IC

    寬帶隙(WBG)開關器件由于其高速度和高效率而得到應用,這種器件可減小功率轉換器的尺寸、重量和損耗。對這些參數特別敏感電動汽車充電器和功率轉換器等應用通常需要雙向功率流以獲得多余的機械或電能。本文將著眼于這些應用,分析一些典型解決方案,并討論寬帶隙器件如何能夠增加系統的價值。

    大多數功率轉換應用是將塬始電源轉換為不同的穩定電壓,通常還具有電隔離功能。其中一個典型的應用場景是筆記本電腦適配器,將交流電源轉換為低壓直流(DC)電源。另一個場景是便攜式設備中電池放電時,將電壓提升至恒定的較高值,這些都是單向轉換。但隨著新能源和電動車輛的日益普及,需要功率能夠在兩個方向上流動以獲取多余能量。

    這種應用的一個例子是太陽能設備,當太陽能電池完全充電時,DC太陽能電池板功率可以“反饋”到交流電網中,而在晚上,交流電可以反過來通過雙向轉換器/逆變器向電池充電。另一種應用是電動車輛,其中雙向DC-DC轉換器將400V動力電池電壓降至12V以用于輔助設備。當動力電池處在比較危險的低電量時,DC-DC轉換器在緊急情況下能夠將功率從12 V反轉到400 V。

    在能量以這種方式在電池之間交換時,必須考慮充電機制,其中12V鉛酸電池需要控制電流直到其達到完全充電狀態,之后是涓流電流。相比之下,400 V鋰離子電池則需要非常小心地控制恒定電壓。因此,轉換器控制算法必須適應能量流的方向。目前正在考慮的一個方案是,通過家庭充電站中的另一個雙向轉換器或逆變器將充電電池能量返回到電網,從而能夠實現分布式電網儲能。

    為了實現更高效率,能量收集必須有最小量的損失,因此功率轉換器需要采用適當的技術以獲得最佳效率,這意味著會增大復雜性。實現雙向電源轉換器可能初看起來比較復雜,因此一些設計只是簡單地采用兩個獨立的“反并聯”轉換器,并具有感應能力以激勵其中一個。這可能是一種“更容易”的設計,但會導致高兩倍的元件數量和相應的成本。

    一種更優雅和更具成本效益的方法是將相同的功率組件配置為在兩個方向上運行,這樣做并不像看起來那幺困難。以一種400V動力電池和12V輔助電池的情況為例,目標是實現雙向、具有電隔離的能量交換。從400 V到12 V,首選功率級拓撲結構是一個全橋電路,可以限制開關應力,并能夠高效地使用隔離變壓器。其輸出是兩相整流器,將其作為首選是因為它可實現最小應力和最少的元件數量。12 V電源如何反向轉換為400 V可能并不明顯,正常情況下,12 V輸出二極管由同步整流器代替,開關Q1-4可以設置為OFF,只留下體二極管D1-4在電路中運行。

    從右到左觀察,可以看到一個熟悉的電路,一個帶有全橋輸出整流器的電流饋電推挽式功率級。所有的功率器件或磁性元件都沒有發生變化,它們只是以不同的方式控制來確定能量流的方向。Q1-4也可以作為同步整流器主動開關以提高效率,盡管在400V時,電流較低,這樣做可能不是必需的。使用現有的專用芯片來控制功率級是實現雙向功能的關鍵。

    

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    控制IC通常位于低壓側,因為它可以方便地從12V電池獲取啟動電源,如果高壓側是相移全橋拓撲(PSFB)架構,控制器能夠輕松地通過簡單的變壓器使柵極驅動信號越過隔離屏障。由于信號總是固定寬度,只是彼此之間具有相移以實現調制,變壓器可以輕松應對可變脈沖寬度,導致不同峰值的正向和負向柵極電壓。

    類似的方式可用AC-DC轉換器完成,其中主動橋式整流器被配置為逆變器的支路,用于反向能量流動。當代一種技術是使用“圖騰柱”整流器和功率因數校正(PFC)級,這非常適合配置為替代逆變器。

    

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    寬帶隙、碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)半導體器件現在是硅功率器件的主流替代品。作為開關產品,它們具有比硅器件更低的導通電阻,更快的邊沿速率(edge rates),并且具有更高的工作溫度。分立式SiC二極管沒有反向恢復電荷,具備更高的額定電壓。 SiC開關堅固耐用,具有高雪崩能量和出色的短路電流額定值,并且具有極快的體二極管。SiC MOSFET、JFET和共源共柵結構(級聯型)目前市場都可以提供,其中共源共柵型是Si-MOSFET和JFET的“常關斷”組合,具有接近理想的開關特性。

    雖然WBG器件可適合于多種電源轉換應用,但它們特別適用于那些效率和尺寸為主要考慮因素的雙向轉換器。快速開關邊沿使器件具有高工作頻率和低開關損耗,這反過來允許采用更小的被動元件,特別是小的磁性元件。

    

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    如果電路中的Q1-4配置為同步整流器,而不是將其設置為OFF并允許體二極管形成整流器,則開關可能是高壓Si-MOSFET,與SiC相比,這些開關損耗也會更高。高壓MOSFET還具有較差的體二極管反向恢復特性,這可能導致器件失效。因而可以使用SiC共源共柵,雖然它具有高額定電壓,但具有與低壓Si開關類似的等效體二極管,同樣具有非常低的正向壓降和快速恢復,因而也可實現低損耗運行。

    通常情況下,全橋Q1-4作為功率級會通過諧振模式中的“相移”控制進行操作。當前,對于幾百瓦以上的應用,這是實現最佳效率的優選模式,并可在開關導通時實現零電壓開關(ZVS),外部電感能夠與變壓器電容和開關輸出電容COSS實現共振。SiC器件,特別是共源共柵,具有非常低的COSS值,因而只需相對較低的外部電感用于諧振,這有助于增大占空比范圍和/或最大化開關頻率。

    如上所述,SiC器件有助于實現雙向功率轉換,并可實現更低能量損耗等重要參數, 這是太陽能和電動汽車等應用中電池系統收集能量的重要指標。UnitedSiC可提供各種SiC二極管、JFET和SiC FET共源共柵,并可提供大量、非常有用的應用資料支持。

    

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