电动汽车电源转换器的蓝图

随着内燃机作为汽车主要动力源的时代逐渐消逝，汽车行业青睐电动机作为替代选择。反过来，汽车 OEM 也希望半导体行业能够提供实现电气化未来所需的电子创新。纯电动汽车 (BEV) 是，每个人都希望在必要的知识方面处于地位，以使其尽可能具有吸引力。然而，许多人对汽车内的设备和功能过于兴奋，而汽车续航里程和充电仍然是主要问题。

宽带隙 (WBG) 技术（例如碳化硅 (SiC)）受益于汽车电源的这种变化，并且比我们以前依赖的传统功率器件（例如 IGBT）具有显着优势。无源元件制造商也在努力。电感器的创新有助于确保 WBG 作为更快开关拓扑的优势，从而提供更大的范围和更快、更可靠的充电技术。

所有这些都有切实的需求支撑。电动汽车的收入预计将在 2024 年达到 6200 亿美元以上，并以每年 10% 的速度增长，到 2020 年，道路上将增加 1300 多万辆电动汽车。随着新一代 SiC MOSFET 的发布和改进的无源器件的定期推出，大多数工程师都会想知道如何有效且高效地评估它们的优势。

电动汽车电源转换器模块的共性

重点领域之一是电动汽车充电。纯电动汽车和插电式混合动力汽车(PHEV) 均配备车载充电器(OBC)，支持 3.6 kW 至 22 kW 的功率范围。这些充电器可通过家中、路边或停车场的专用壁挂式充电箱或充电站提供交流电。对于停在家中或工作场所的车辆，在汽车停放时充电是理想的选择。对于长途旅行，直流充电器可在途中提供快速充电。这些充电器可提供 40 – 300 kW 甚至更高的功率，绕过 OBC，在大约 20 到 60 分钟内提供 80% 的电量。

两种充电器的基本结构相同。交流电被馈入功率因数校正 (PFC) 单元，然后由 DC/DC 转换器为车辆电池的充电电路供电（图 1）。

图 1. 电动汽车充电系统的基本模块。

功率效率对于减少散热和节省能源至关重要，而可用空间和设计重量目标则对功率密度要求施加压力。此外，电动汽车被视为平衡电网干扰（车辆到电网，V2G）甚至在紧急情况下为家庭供电（车辆到家庭，V2H）的潜在电源。充电器需要双向拓扑，这让我们走向图腾柱式 PFC、双有源桥 (DAB) 和 LLC DC/DC 转换器。所有这些拓扑都使用桥臂，而从电动汽车的电机逆变器来看，这种电子元件也出现在那里。

图 2. 桥臂在 PFC、DC/DC 和逆变器设计中很常见。图片由Bodo’s Power Systems提供 

探索基于 SiC 的设计的模块化方法

所讨论的拓扑结构都不容易设计，测试期间会产生高电压和电流。但是，这些拓扑结构中重复的电路元件提供了使用模块化快速评估不同方法的机会。例如，输入电感器、单桥臂和输出电容器可以在 PFC 电路内隔离。然后可以将输入和输出电压和电流测量以及 SiC MOSFET 的控制分配给执行系统控制的第四个元件。为此，专用于数字电源转换器应用的微控制器是理想的选择（图 3）。

图 3.  PFC 可分解为输入电感器、输出电容器、桥臂和控制块。许多块也用于 DC/DC 转换器和电机逆变器。图片由Bodo’s Power Systems  [PDF]提供

这是东芝为探索在满足功率水平要求的同时创建紧凑型设计的模块化电动汽车充电器参考设计概念（图 4）而开展的可行性研究所采用的方法。它将设计分解为七个印刷电路板 (PCB)。其是开关板，该开关板具有四个 SiC MOSFET，采用三级中性点钳位 (NPC) 设计。这支持在开关之间共享热负载和电压应力，并减少电感器上的伏秒纹波。两个 SiC 肖特基势垒二极管 (SBD)、四个栅极驱动器和一个复杂可编程逻辑器件 (CPLD) 可产生的开关和所需的四个控制信号，完善了设计。

SiC MOSFET包括一个片上集成内置肖特基势垒二极管 (SBD)，其正向电压仅为 1.35V。这种集成 SBD 是限制工作寿命内导通电阻变化的关键。R DS(ON) × Q gd（栅极漏极电荷）也比第二代 SiC 器件低 80%，而更宽的 V GSS额定值（-10V 至 +25V）简化了栅极驱动器电路设计。

与任何电源转换器一样，需要在应用的整个使用寿命内对开关进行控制。这是使用光隔离 TLP5214 栅极驱动器实现的，该驱动器可提供 ±4.0A 输出以实现快速切换，然后与东芝的第三代 SiC MOSFET 配对。该驱动器还具有集成有源米勒钳位，可避免寄生 dV/dt 触发导通。

利用紧凑型立方体 PFC 设计的功能

为了在所需功率水平下实现紧凑的立方体设计，在高电流路径中使用铜轨和将电路板固定在一起的机械金属垫片实现互连。这会导致实现的寄生电感增加，从而限制了可以使用的开关速度，但保持了 PCB 技术的简单性。

图 4.  SiC Cube PFC 设计中的载流机械互连和铜轨细节。图片由Bodo’s Power Systems提供 [PDF]

电感器和电容器板（图 5）都具有相同的电流和电压测量电路。电流使用霍尔传感器测量，而电压使用 TLP7820 隔离运算放大器差分测量。在输入端，它们使用 sigma-delta 模数 (ADC) 转换器来驱动 LED。产生的光信号通过 1 位数模转换器 (DAC) 和低通滤波器转换后输入放大器。这种方法提供高增益精度 (±0.5%)、小增益漂移 (0.00012 V/°C) 和低非线性 (V IN = ±200 mV 时为 0.02%)。TLP7820 已获??得 UL/cUL 和 VDE/CQC 批准。

 
图 5. 电容板和电感板都具有相同的电流和电压测量电路。图片由Bodo’s Power Systems提供 [PDF]

横跨桥臂、电容器和电感器板的是控制器板，该板具有 TXZ+ Arm Cortex-M4F 微控制器。它特别适合数字电源控制的原因在于其先进的脉冲宽度调制 (PWM) 模块，其中包括具有死区时间控制的三相互补输出。此外，它可以在硬件中与 12 位片上 ADC 进行的模拟测量同步。还提供三个增益可选的运算放大器。微控制器还具有矢量引擎块，可以卸载和加速复杂的计算，如正弦和余弦以及 Clarke 和 Park 变换，这对 PFC 和电机逆变器应用也大有裨益。

高功率密度，可重复使用

利用的 SiC MOSFET 技术，这种紧凑型长方体 PFC 设计旨在以 0.99 的功率因数和高达 99% 的效率提供 22 kW 的功率。其尺寸为 140 × 140 × 210 mm3 ，相当于 3 kW/dm3 的功率密度。由于其模块化，桥臂 SiC MOSFET、电容器、电感器和微控制器板可以轻松地在其他电源转换器应用中试用，从而减轻开发负担。通过创建这种模块化设计概念，东芝旨在支持新接触 WBG 技术的开发团队，并探索 SiC MOSFET 的稳健性、工作温度下的较低 RDS(ON) 和更高的开关频率能力，对许多人来说，这仍然是一项新技术。