双向功率转换器受益于 CoolSiC TM MOSFET

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

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。

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。

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 。

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