隔离式DC－DC转换器拓扑部分中的单向功率流

作者：Maurizio Di Paolo Emilio

如今，通过DC进行快速充电正变得越来越流行。为了获得更快的充电时间，必须进行外部电源转换，并且必须进行电气隔离，这一点很重要。电力电子设备在成本方面应该是有效的，并且应该是相当有效的。SiC肖特基二极管可以有选择地用于优化功率电子器件。电池借助隔离的DC输出进行充电，而功率转换不受限制，并且在存在200-600 DC的情况下，估计的和正常的瓦数范围为50-300kW时，它具有主动或被动的能力［2］。功率转换可以是单向和双向的。变压器的大小与开关频率成正比。本文主要关注DC-DC部分中的单向功率流。

隔离式DC-DC转换器拓扑

这是本质上是隔离的单向转换器。它的初级绕组借助于单相H桥逆变器来驱动。直流输出是通过全桥整流器产生的，并且为了直流输出的清洁度需要一个输出滤波器，可以是CL或LC。带有LC和CL滤波器的DC-DC转换器如图1所示。在CL滤波器的情况下，不需要整流二极管来整流二极管。由于整流器电流不连续，H桥中的电流波形为三角形。较高的电流峰值导致三角波形效率低下。如图2所示，在400直流输出和500直流输入下有120A电流充电。使用LC输出滤波器会产生连续电流，该连续电流会在H桥中产生具有低电流峰值的方波。与使用LC滤波器有关的另一个优势是效率高［1］。LC滤波器的波形如图3所示。

图1：具有CL和LC滤波器的DC-DC转换器


图2：CL滤波器波形


图3：LC滤波器波形

H桥损耗

关闭开关设备［1］时，开关损耗最为明显。与三角形波形相比，在相同水平的直流输出电流下，IGBT损耗的高值出现了50％的IGBT损耗，这都是由于三角形波形中电流的峰值较高而发生的。例如，损耗是根据以10kHz开关的IGBT技术的1200V计算得出的。如果缓冲整流器的设计不正确，则可以在IGBT损耗中检测到部分偏移。

整流缓冲电路的设计

随着大量损耗的耗散，整流器缓冲器开始成为问题［1］。重要的是，二极管中的Qrr被缓冲电路吸收，并应在电阻器中消散，由于整个过程，效率降低，并且对大型元件的需求增加［1］。此时，除了SiC二极管外，没有其他帮助。

SiC肖特基二极管的优点

与SiC器件相关的一些重要优势包括：

有降低开关损耗的趋势。

不存在反向恢复费用。

结电容处的电荷较少，但不大于正常Si PN结处的Qrr。

轻松便捷地以行业标准包装供货。

两个尺寸相似的整流器模块的理论比较

这是相同尺寸的Si和SiC模块的比较。电压设置为600V，并且已将缓冲电容器的值选择为最佳值，以最大程度地减小电压［1］的过冲。

图4：Si和SiC模块之间的比较

硅二极管的案例研究

500kW功率在10kHz的50kW DC-DC转换器中的缓冲电路中耗散了功率，这意味着仅在缓冲部分中耗散了输出区域总功率的1％，这在本质上使用了标准的Si整流二极管，该二极管本质上是快速的系统。尽管开关频率为40kHz，但在缓冲功耗中，可以观察到SiC整流二极管的减小至15W。它具有效率高的优点，它允许使用更小的组件，并且不伴有热量的增加，因此最终将处理更少的热量。

图5：带有SiC整流二极管的转换器的原型

结论

本文提供了有关SiC肖特基二极管的便捷，简短但内容丰富的知识，它们的优势，Si和SiC二极管之间的比较以及详细的案例研究，以深入了解这一概念。SiC肖特基二极管具有提高效率，减小尺寸并降低本质上隔离的DC-DC转换器成本的能力。肖特基二极管的正确使用可以降低整流电路中的缓冲器损耗，从而降低开关损耗。此外，已经观察到缓冲器的部件的成本和尺寸的大量减少。SiC器件实际上很昂贵，因此建议限制这些器件的使用，并使用其他一些最佳可用选项进行更改，以便从中获得显着的优势。所有数据都是从真实来源收集的。

注：

［1 ］使用SiC肖特基二极管提高EV快速充电器的效率APEC 2020新奥尔良，洛杉矶LeifAmber工程经理。

［2］基于SiC的AC / DC CCM无桥车载EV充电器，带有耦合有源电压倍增器整流器，用于800 V电池系统Mehdi Abbasi，IEEE学生成员，John Lam，IEEE高级成员，可持续能源研究部高级电力电子实验室。多伦多约克大学Lassonde工程学院电气工程与计算机科学系，加拿大M3J 1P3