双向功率转换器受益于 CoolSiCTM MOSFET

最新更新时间:2021-09-15来源: EEWORLD作者: 英飞凌科技高级应用工程师David Meneses Herrera,高级产品定义工程师 Nico F关键字:碳化硅  双向  体二极管  恢复  电荷  效率  损耗  MOSFET  转换器  英飞凌

摘要


双向功率转换器是可再生能源和电动汽车充电器中的关键部件。碳化硅开关能够实现先前技术无法达到的效率水平。


太阳能和风能等可再生能源的存储越来越重要,而电池则是一种实用的储能解决方案。在电动汽车(EV)市场的驱动下,电池可用于从公用事业到家庭等任何规模场景应用,成本也在不断下降 。此外,虽然基于碳的 矿物燃料仍在继续使用,但 电池电能可有效地反馈 到电网中,能够 为更可靠和更具成本效益地供应电能 提供“调峰”作用,并可为家庭或工业消费者提供资金返现。在这种情况下,需要一个双向功率转换器,能够从交流电 或可再生能源为电池充电,或者在本地负载较轻或没有本地负载时将能量“馈入”回交流线路 。 EV 电池也可以包含在此项应用。


双向转换器效率是关键


双向转换器的效率显然是太阳能等系统有效性和投资回报的关键。现在,功率转换器中单级实现 99% 以上的效率很常见,但双向转换器更难以优化其正向和反向能量流。幸运的是,当 MOSFET 用于开关和同步整流器 时,它们通常可以配置为双向。图 1 显示了双向电池充电器/逆变器的示意图,其左右对称性应该很明显,能量流方向由 MOSFET 驱动装置 控制。

 

image.png

图 1:桥式布局中 MOSFET  用作双向功率转换器。


图中所示功率因数校正级是一个典型“无桥图腾柱”类型,它在中等功率或更高交错功率水平下最佳 ,但其效率受到两个 MOSFET 的体二极管限制,这些体二极管在交流电源的交替极性上充当升压二极管 。对于低传导损耗 ,电路在连续传导模式下“硬开关” ,电荷在 MOSFET 通道导通和关断状态之间的死区时间内存储在体二极管中 。每个周期恢复这种电荷会导致功率损耗和 EMI,在使用硅 MOSFET 时,这种影响可能会很严重。如果 MOSFET 的输出电荷 QOSS 很高,并且 每个周期都必须对其进行充电和 放电,那么也会产生过多的功率损耗。


图 1 中所示,DC-DC为谐振“移相全桥(PSFB)”型,不受体二极管反向恢复的影响,除非可能在启动、关闭或负载阶跃时发生的瞬态 。然而,该转换器也可能受到高 QOSS 值的影响,使得谐振操作 难以在所有条件下保持。高 QOSS 值还会强制达到最小死区时间 ,进而限制了高频工作。


SiC MOSFET 能够解决这些问题


上面讨论的问题在很大程度上可通过使用碳化硅 (SiC) MOSFET 得到解决。其反向恢复电荷约为同类 si-MOSFET 值的 20%,而 QOSS 约为六分之一。例如,英飞凌的650V CoolSiCTM SiC MOSFET(IMZA65R048M1H)  具有 125nC 的电荷,而基于硅的 600V CoolMOSTM CFD7 超级结 MOSFET(IPW60R070CFD7)  的电荷为 570nC,具有相似的导通电阻。 


使用 SiC MOSFET 时, 输出电容和由此产生的 QOSS 变化要小很多。图 2 表明 IMZA65R048M1H CoolSiCTM MOSFET 在低漏极电压和高漏极电压之间变化  10 倍,但超级结 硅MOSFET 的数值接近变化  8000 倍。高电压下 SiC 的 非零值可能是一个优势,因为它有助于减少漏极上的电压过冲,否则将需要高栅极电阻值,从而降低可控性。


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图 2:与硅器件相比,SiC 器件输出电容随漏极电压的变化要小很多。


参考设计展示了 SiC 的优势


英飞凌参考设计(EVAL_3K3W_TP_PFC_SIC)  [1](见图 3)展示了 SiC MOSFET 在双向 3.3 kW 图腾柱 PFC 级 中的性能,实现了 73 W/in3 (4.7 W/cm3) 的功率密度,在 230VAC 输入和 400VDC 输出下的峰值效率为 99.1%。在逆变器模式下,效率峰值为 98.8%。使用英飞凌 XMCTM 系列微控制器能够进行全数字控制 。


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图 3:英飞凌采用 SiC MOSFET的高效、双向、图腾柱 PFC 级 演示板。


结论


CoolSiCTM MOSFET在双向转换器中具有明显的优势,英飞凌能够以分立和模块形式提供这些产品,以及一系列互补 使用的 EiceDRIVERTM 栅极驱动器。还可提供电流感测  IC和用于数字控制的微控制器。


参考文献


[1]  采用650V CoolSiCTM和 XMCTM 的3300W CCM 双向图腾柱,英飞凌应用笔记,AN_1911_PL52_1912_141352


关键字:碳化硅  双向  体二极管  恢复  电荷  效率  损耗  MOSFET  转换器  英飞凌 编辑:张工 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/dygl/ic548033.html

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