技术 |一种采用碳化硅功率器件的直流充电电源拓扑及优化设计
本帖最后由 火辣西米秀 于 2025-1-17 08:19 编辑<section powered-by="xiumi.us">
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<p><span style="font-size:18px;">随着国家汽车电动化的战略发展方向的确立，市场对电动汽车的需求量越来越大，电动汽车的保有量也逐年高速上升，对于为电动汽车提供充电服务的充电桩，也迎来了很大的发展机遇。众所周知，电动汽车充电桩可分交流充电桩和直流充电桩两大类。交流充电桩可为电动汽车内部的车载充电机提供单相交流电，通过车载充电机给电动汽车的电池充电，桩体体积较小，充电功率较低，俗称“慢充”。而直流充电桩则为可直接为电动汽车动力电池充电的装置，其主要由充电模块、计费控制系统及继电保护部分构成。充电模块是一种可将三相交流电转换为直流电的整流电源，其作为直流充电桩最的核心部件，直接影响充电桩的性能、成本和可靠性。</span></p>
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<p><span style="font-size:18px;">第三代半导体材料以GaN和SiC等材料为代表。1969年实现了GaN单晶薄膜的制备。1994年中村修二研发了第一支高亮度的GaN基蓝光LED。1891年，SiC晶体被人工合成。1959年，荷兰Lely发明SiC的升华生长法（或物理气相传输法，即PVT法），后来经过改进的PVT法成为SiC单晶制备的主要方法。与Si材料相比，第三代半导体材料具备应用于电力电子功率器件的先天性能优势，第三代半导体功率器件的快速发展和商业化，为电力电子领域带来了技术革新的契机，广泛应用于新能源发电、电机传动、大功率直流电源、电动汽车及其充电装置等领域，如图1所示。特别是碳化硅作为第三代半导体材料，从材料特性上与硅材料相比，碳化硅材料具有前者无法比拟的优越的特性。因此碳化硅功率器件在阻断电压、导通电阻、开关速度、开关损耗、热稳定性上与硅功率器件相比均具有一定的优势，非常适用于高频、高功率密度、高温场合的应用。将碳化硅功率器件应用于直流充电领域，有利于提高充电电源的转换效率及环境耐受能力，在一定程度上解决充电桩行业的痛点，有着广阔的市场前景。</span></p>
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<p><span style="font-size:18px;">图1 第三代半导体广泛应用</span></p>
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<p><span style="font-size:18px;">在建设交通强国重大战略决策指引下，瞄准SiC半导体材料带来的新特性，拓宽SiC功率器件在功率变流系统中使用的性能极限，将有望实现电动汽车大功率、快速充电设备在效率、功率密度等方面的进一步提高。2016年，科技部启动“战略性先进电子材料”重点专项，“中低压SiC材料、器件及其在电动汽车充电设备中的应用示范”，其子课题“全碳化硅高效率充电设备的研制和规模示范应用”围绕SiC器件充电设备开展技术攻关，针对SiC器件在充电功率模块中应用的重要研究内容，采用提高开关频率、改良功率变换拓扑的方法，实现电动汽车充电设备高电能转换效率、高功率密度、高可靠性的技术突破。电动汽车及其充电装置具有多种电能变换需求，采用SiC器件能够大幅度缩小装备的体积，降低装备的重量，并显著节能降耗，帮助提高电动汽车续航里程、缩短充电时间。采用SiC器件在带来高开关速度的同时，也导致干扰增强、寄生参数影响更显著，栅源电压干扰问题突出。目前，国内外学者从宽禁带器件的干扰机理和可靠关断技术方面对碳化硅器件在直流充电桩中的应用开展了一系列研究，而且对充电桩电源整体设备的开发带来了许多好处。因此，继续进行理论研究和直流充电行业的电源设备开发是非常重要的。本文介绍一款基于碳化硅功率器件的直流充电电源方案，说明其拓扑结构及其在驱动方面的技术优化。</span></p>
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<p><span style="font-size:18px;">图2 研发的全碳化硅直流充电桩的电源模块</span></p>
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<p><span style="font-size:18px;"><strong>1 拓扑结构及驱动优化设计</strong></span></p>
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<p><span style="font-size:18px;">为了将交流电压整流为直流电压，并且适应多种乘用车充电需求，全碳化硅电源模块采用两级串联的结构，如图3所示。前级采用PWM整流器，用来实现功率因数校正功能，并为前后级的中间直流母线提供稳定的直流电压。后级采用LLC谐振变换器，具有高频隔离功能，并因其软开关特性，而具有较低的开关损耗，有利于发挥碳化硅功率器件高速开关的优势。</span></p>
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<p><span style="font-size:18px;">图3 全碳化硅功率模块拓扑结构</span></p>
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<p><span style="font-size:18px;">图4 对比实验所用PWM整流器的外观和PCB布局</span></p>
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<p><span style="font-size:18px;">根据法拉第电磁感应定律，SiC MOSFET在电流上升或下降过程中产生栅源电压额外应力，其变化方向恰好与驱动过程中期望的栅源电压变化方向相反，因此形成二阶负反馈系统，影响栅源电压变化。驱动回路电感反馈通路部分过大将加剧栅源电压应力，恶化开关损耗；驱动回路电感前向通路部分过大将诱发谐振，或恶化开关损耗。总之，驱动回路杂散电感过大，不仅会带来谐振隐患，还将迟滞栅源电压变化，导致电流变化时段延长，开关损耗变大。</span></p>
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<p><span style="font-size:18px;">如图4所示，在相同的驱动电路、工作条件和器件电气参数的情况下，选取了两种杂散电感不同的封装结构，作为两个对照实验案例。驱动电路参数设计时，综合考虑驱动芯片特性、栅源电压干扰抑制策略，确保驱动电路和器件工作条件保持一致。唯一不同的是，相比于案例1，案例2优化了驱动回路杂散电感，并采用4引脚的开尔文封装结构。</span></p>
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<p><span style="font-size:18px;"><strong>2 实测数据 </strong></span></p>
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<p><span style="font-size:18px;">为了进一步验证方案的实用性，本文作者基于全碳化硅功率器件开发了一款电源模块样机，进一步以此实验平台进行实验研究。</span></p>
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<p><span style="font-size:18px;">图5为全碳化硅电源模块额定满载运行的波形。示波器1至3通道分别为输入全碳化硅电源模块的三相交流电流（ia、ib、ic），示波器4通道为全碳化硅电源模块的输出电压vout。由此可见，全碳化硅电源模块稳定运行时，输入的交流电流具有良好的正弦度，不会对电网造成严重的谐波污染。</span></p>
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<p><span style="font-size:18px;">图5 实验结果：电源模块满载运行波形</span></p>
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<p><span style="font-size:18px;">图6为30kW满载工况PWM整流器的实验结果。vGS是SiC MOSFET的栅源电压。iL是其滤波电感的电流，即输入交流电流。样机采用优化的SVPWM方法，vGS波形上显示120°无开关动作区。在该图的放大区域展示了栅源电压应力优化的情况。下降沿之后，vGS波形出现正的尖峰干扰；在上升沿之前，vGS波形呈现负峰值干扰。以负峰值为例进一步放大，波形显示，在电感电流峰值处，案例2的栅压负向应力降低，栅压应力有明显降低。案例2由于驱动回路杂散电感较小，因而，额外增加的栅源电压应力也较低。</span></p>
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<p><span style="font-size:18px;">图6 全SiC PWM整流器的实验结果：栅压应力优化</span></p>
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<p><span style="font-size:18px;">图7 全SiC PWM整流器的效率曲线</span></p>
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<p><span style="font-size:18px;">图7是通过功率分析仪PA5000H测量的效率曲线。在驱动设计优化后，案例2比案例1的PWM整流器在半载15kW时效率提高约0.16%（24W），满载30kW时效率提高约0.1%（30W），峰值效率可达97.93%，比未采驱动电路优化设计的高出0.16%。全SiC PWM整流器在不同功率工况下的测效率对比表明，采用本章所提的驱动电路设计策略，可以提高功率变流器效率。</span></p>
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<p><span style="font-size:18px;"><strong>3 结论与展望</strong></span></p>
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<p><span style="font-size:18px;">本文介绍了一种采用碳化硅功率器件的直流充电电源拓扑及优化设计方案。分析了驱动电路充放电动态过程及驱动回路参数的影响，发现驱动回路的分布电感，不仅影响驱动电路的受干扰情况，也增大了开关过程中电流上升模态和电流下降模态中的开关损耗。本文随后针对这一特点，对所研制的电源模块进行了驱动回路优化。实测结果显示，优化后额外增加的栅源电压应力较低，同时，变换器效率有所提升。</span></p>
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<p><span style="font-size:18px;">李志君/泰科天润半导体科技(北京)有限公司</span></p>
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