隨著內(nèi)燃機(jī)作為車輛主要?jiǎng)恿υ吹臅r(shí)代逐漸結(jié)束，電動(dòng)機(jī)成為汽車行業(yè)所推崇的替代選擇。因此，汽車原始設(shè)備制造商(OEM)開(kāi)始尋求半導(dǎo)體行業(yè)的電子創(chuàng)新，以實(shí)現(xiàn)這個(gè)電氣化的未來(lái)。電池電動(dòng)汽車(BEV)是首選方案，大家都在爭(zhēng)相獲取必要知識(shí)，以使其盡可能吸引消費(fèi)者。然而，許多人對(duì)車內(nèi)的小玩意和功能過(guò)于興奮，而車輛的續(xù)航和充電問(wèn)題仍然是關(guān)鍵關(guān)注點(diǎn)。

　　寬帶隙(WBG)技術(shù)，例如碳化硅(SiC)，在汽車電源變更的背景下受益匪淺，相較于我們之前依賴的傳統(tǒng)功率器件(如IGBT)，其具有顯著優(yōu)勢(shì)。被動(dòng)元件制造商同樣在努力創(chuàng)新。電感器的創(chuàng)新有助于確保WBG作為一種更快開(kāi)關(guān)拓?fù)涞膬?yōu)勢(shì)，從而提供更長(zhǎng)的續(xù)航和更快、更可靠的充電技術(shù)。

　　所有這一切都得到了實(shí)際需求的支撐。預(yù)計(jì)到2024年，電動(dòng)汽車收入將超過(guò)6200億美元，并以每年10%的速度增長(zhǎng)，到本世紀(jì)末將有超過(guò)1300萬(wàn)輛BEV上路。隨著新一代SiC MOSFET的發(fā)布和改進(jìn)的被動(dòng)元件的定期推出，大多數(shù)工程師都在思考如何有效和高效地評(píng)估其優(yōu)勢(shì)。

　　電動(dòng)汽車電源轉(zhuǎn)換器模塊的共同特性

　　一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域是電動(dòng)汽車充電。無(wú)論是BEV還是插電式混合動(dòng)力汽車(PHEV)，都有一款支持3.6 kW至22 kW功率范圍的車載充電器(OBC)。這些充電器可以通過(guò)專用的墻盒或充電站向家中、路邊或停車場(chǎng)提供交流電。對(duì)于停在家中或工作的車輛來(lái)說(shuō)，充電器非常適合在車輛休息時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充充電。對(duì)于較長(zhǎng)的旅程，直流充電器可以提供快速充電。這類充電器提供40-300 kW甚至更多的功率，可以繞過(guò)OBC，在大約20至60分鐘內(nèi)充電80%。

　　兩種情況的充電器基本結(jié)構(gòu)是相同的。交流電輸入到功率因數(shù)校正(PFC)單元，之后是為車輛電池充電電路提供電源的DC/DC轉(zhuǎn)換器(見(jiàn)圖1)。

　　功率效率對(duì)于最小化熱量散失和節(jié)省能源至關(guān)重要，而可用空間和設(shè)計(jì)重量目標(biāo)則對(duì)功率密度要求施加壓力。此外，電動(dòng)汽車被視為平衡電網(wǎng)干擾的潛在電源(車對(duì)網(wǎng)，V2G)，甚至在緊急情況下為家庭提供電力(車對(duì)家，V2H)。充電器需要雙向拓?fù)洌偈刮覀兂鴪D騰柱式PFC、雙活橋(DAB)和LLC DC/DC轉(zhuǎn)換器的方向發(fā)展。所有這些拓?fù)涠祭昧藰蛲龋⑶以陔妱?dòng)汽車的電機(jī)逆變器中，這一電子元件同樣存在。

　　模塊化探索SiC基設(shè)計(jì)的方式

　　上述討論的拓?fù)洳⒉蝗菀自O(shè)計(jì)，因?yàn)闇y(cè)試過(guò)程中涉及高電壓和電流。然而，這些拓?fù)渲械闹貜?fù)電路元件提供了一個(gè)機(jī)會(huì)，可以利用模塊化快速評(píng)估不同的方法。例如，輸入電感器、單個(gè)橋腿和輸出電容器可以在PFC電路中被隔離。然后，可以將輸入和輸出電壓、電流測(cè)量以及對(duì)SiC MOSFET的控制分配給第四個(gè)執(zhí)行系統(tǒng)控制的元件。為此，專門(mén)用于數(shù)字功率轉(zhuǎn)換器應(yīng)用的微控制器是理想的選擇(見(jiàn)圖3)。

　　這是東芝為模塊化電動(dòng)汽車充電器參考設(shè)計(jì)概念(見(jiàn)圖4)開(kāi)展可行性研究所采用的方法，旨在探索在滿足功率水平要求的同時(shí)創(chuàng)建緊湊設(shè)計(jì)。它將設(shè)計(jì)分解為七個(gè)印刷電路板(PCB)。其核心是具有四個(gè)SiC MOSFET的開(kāi)關(guān)電路，采用三電平中性點(diǎn)鉗位(NPC)設(shè)計(jì)。這有助于在開(kāi)關(guān)之間共享熱負(fù)載和電壓應(yīng)力，并減少電感器的電壓-秒波動(dòng)。兩個(gè)SiC肖特基勢(shì)壘二極管(SBD)、四個(gè)柵驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)用于生成精確的開(kāi)關(guān)和所需的四個(gè)控制信號(hào)，構(gòu)成了該設(shè)計(jì)的完整框架。

　　這些SiC MOSFET的芯片上集成了肖特基勢(shì)壘二極管(SBD)，其正向電壓僅為1.35V。集成的SBD是限制工作壽命期間導(dǎo)通電阻變化的關(guān)鍵。RDS(ON) × Qgd(柵排電荷)也比第二代SiC器件低80%，而更寬的VGSS額定值(-10V到+25V)簡(jiǎn)化了柵驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。

　　就像任何電源轉(zhuǎn)換器一樣，優(yōu)化開(kāi)關(guān)在應(yīng)用壽命內(nèi)的控制是必需的。這通過(guò)使用光隔離的TLP5214柵驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)，該驅(qū)動(dòng)器提供±4.0A的輸出以實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)關(guān)，并與東芝的第三代SiC MOSFET配對(duì)。該驅(qū)動(dòng)器還具有集成的主動(dòng)米勒鉗位，以避免寄生dV/dt觸發(fā)的導(dǎo)通。

　　利用功能實(shí)現(xiàn)緊湊的立方體PFC設(shè)計(jì)

　　為了在所需的功率水平上實(shí)現(xiàn)緊湊的立方體設(shè)計(jì)，高電流路徑中的互連采用銅軌和機(jī)械金屬間隔件將電路板固定在一起。這導(dǎo)致實(shí)施的寄生電感增加，限制了可以使用的開(kāi)關(guān)速度，但保持了PCB技術(shù)的簡(jiǎn)單性。

　　電感器和電容器電路板(見(jiàn)圖5)都具有相同的電流和電壓測(cè)量電路。電流使用霍爾傳感器測(cè)量，而電壓則通過(guò)TLP7820光隔離運(yùn)算放大器以差分方式測(cè)量。在其輸入側(cè)，這些使用sigma-delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)LED。產(chǎn)生的光信號(hào)輸入放大器，經(jīng)過(guò)1位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)和低通濾波器轉(zhuǎn)換。該方法提供了高增益精度(±0.5%)、小增益漂移(0.00012 V/°C)和低非線性(VIN = ±200 mV時(shí)為0.02%)。TLP7820獲得了UL/cUL認(rèn)可，并通過(guò)了VDE/CQC認(rèn)證。

　　在橋腿、電容器和電感器電路板之間是控制器電路板，采用TXZ+ Arm Cortex-M4F微控制器。其特別適合數(shù)字功率控制的原因在于其先進(jìn)的脈寬調(diào)制(PWM)模塊，包括帶死區(qū)控制的三相互補(bǔ)輸出。此外，它可以與由12位片上ADC進(jìn)行的模擬測(cè)量硬件同步。還有三個(gè)可增益選擇的運(yùn)算放大器可用。微控制器還設(shè)有一個(gè)向量引擎塊，可以卸載并加速?gòu)?fù)雜計(jì)算，如正弦和余弦變換，以及Clarke和Park變換，這對(duì)PFC和電機(jī)逆變器應(yīng)用也非常有利。

　　高功率密度與可重用性

　　借助最新的SiC MOSFET技術(shù)，這種緊湊的立方體PFC設(shè)計(jì)目標(biāo)是以0.99的功率因數(shù)和高達(dá)99%的效率提供22 kW的功率。其尺寸為140 × 140 × 210 mm3，意味著功率密度為3 kW/dm3。由于其模塊化，橋腿SiC MOSFET、電容器、電感器和微控制器電路板可以輕松在其他電源轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中試用，從而減輕開(kāi)發(fā)負(fù)擔(dān)。

　　通過(guò)創(chuàng)建這種模塊化設(shè)計(jì)概念，東芝旨在支持對(duì)WBG技術(shù)不太熟悉的開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)，并使其能夠探索SiC MOSFET在工作溫度下的堅(jiān)固性、較低的RDS(ON)和更高的開(kāi)關(guān)頻率能力，這對(duì)許多人來(lái)說(shuō)仍然是一項(xiàng)新技術(shù)。

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