更嚴(yán)格的二氧化碳排放標(biāo)準(zhǔn)以及不斷變化的公眾和企業(yè)意見正在加速全球電動汽車 (EV) 的發(fā)展。這將在未來幾年為車載充電器 (OBC)帶來巨大的增長,根據(jù) 2024 日歷年的最新趨勢,預(yù)計復(fù)合年增長率 (CAGR(TAM)) 為 37.6% 或更高。對于正在設(shè)計 OBC 模塊的全球汽車而言,提高系統(tǒng)效率或定義新的高度可靠的拓?fù)湟殉蔀榫o迫的挑戰(zhàn)。
用于單相輸入交流系統(tǒng)(圖 1)的簡單功率因數(shù)校正 (PFC) 拓?fù)涫莻鹘y(tǒng)的單通道升壓轉(zhuǎn)換器。該解決方案包含用于輸入交流整流的二極管全橋和用于提高負(fù)載功率因數(shù)的 PFC 控制器,從而提高效率并減少施加在交流輸入電源上的諧波。這種流行的 PFC 升壓拓?fù)涞膬?yōu)點是易于設(shè)計、實施成本低和性能可靠。然而,二極管橋式整流器的傳導(dǎo)損耗是不可避免的,這將不支持允許車輛向交流電網(wǎng)供電的雙向操作。
圖 1 傳統(tǒng) PFC
該模擬數(shù)據(jù)(圖2)表明該輸入二極管橋占主導(dǎo)地位的過在PFC塊中的所有其它成分的損失的功率損失。
圖 2 PFC 中的功率損耗分布
為了提高 OBC 系統(tǒng)效率,研究了不同的 PFC 拓?fù)?,包括傳統(tǒng) PFC、半無橋 PFC、雙向無橋 PFC 和圖騰柱無橋 PFC。其中,圖騰柱 PFC(圖 3)因其元件數(shù)量減少、傳導(dǎo)損耗低和效率高而越來越受歡迎。
圖 3 無橋圖騰柱 PFC
由于體二極管的反向恢復(fù)特性較差,傳統(tǒng)的硅 (Si) MOSFET 很難在圖騰柱 PFC 拓?fù)渲械倪B續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 下工作。碳化硅 (SiC) MOSFET 采用全新技術(shù),與 Si MOSFET 相比,可提供卓越的開關(guān)性能、最短的反向恢復(fù)時間、低 RDS(on)和更高的可靠性。此外,緊湊的芯片尺寸確保了器件的低電容和低柵極電荷 (QG)。
設(shè)計 OBC 的另一個挑戰(zhàn)是車輛中為模塊分配的空間有限。隨著功率要求和電池電壓的增加,設(shè)計滿足機械尺寸要求同時提供所需輸出功率的 OBC 變得越來越困難。工程師不得不忍受當(dāng)前用于 OBC 的技術(shù)在功率、尺寸和效率之間的權(quán)衡,但 SiC 正在打破這些設(shè)計障礙。使用具有更高開關(guān)頻率的 SiC 的工程師可以使用更小的電感器,并且仍然可以達到他們以前的電感器紋波電流要求。
在 OBC 系統(tǒng)中使用 SiC MOSFET 的好處是能夠以更高的頻率進行開關(guān)、增加功率密度、提高效率、改善 EMI 性能和減小系統(tǒng)尺寸。現(xiàn)在 SiC 已廣泛使用,工程師可以在他們的設(shè)計中使用圖騰柱 PFC 來提高性能。
新發(fā)布的用于 OBC 評估板的 6.6kW 圖騰柱 PFC 為多通道交錯式無橋圖騰柱 PFC 拓?fù)涮峁┝藚⒖荚O(shè)計。該設(shè)計由一個隔離式大電流、高效率 IGBT 驅(qū)動器 (NCV57000DWR2G) 和每個高速支路中的兩個高性能 SiC MOSFET (NVHL060N090SC1) 組成。此外,低速支路使用兩個 650V N 溝道功率 MOSFET SUPERFET? III (NVHL025N65S3) 器件,由單片高端和低端柵極驅(qū)動器 IC (FAN7191_F085) 控制。
圖 4. 6.6kW 交錯圖騰柱 PFC 評估板
通過以圖騰柱拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)配置這些高性能 SiC MOSFET,系統(tǒng)可實現(xiàn) 97% 的效率(典型值)。該設(shè)計包括硬件過流保護 (OCP)、硬件過壓保護 (OVP) 和輔助配電系統(tǒng)(非隔離),無需另一個直流電源即可為 PFC 板和控制板上的每個電路供電。提供靈活的控制接口,以適應(yīng)多種控制板。
圖 5. 6.6kW 交錯圖騰柱 PFC 評估板框圖
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