【技术】充电桩采用SIC功率器件的设计考量

充电桩通常是采用AC-DC+DC-DC拓扑结构的一种大功率电力电子设备，如何设计一款大功率、高效率、小体积，低价格、无污染的安全可靠的充电桩设备，是工程师们一项非常具有挑战性的工作，因为大功率、高效率、小体积、低价格是一个相当复杂的权衡和折中的过程。通常来说，低开关频率的设计往往是最为高效的，功率也可以做的较大，但是其体积最大且成本也较高，提高开关频率能够缩小体积，也可降低成本，但会增加功率损耗，降低功率效率。

从技术发展的趋势来看，要想提高功率密度，降低功率价格，一方面，我们可通过工艺和材料的突破来改善功率器件本身的相关特性，比如，基于SIC材料的功率器件就比基于SI材料的功率器件，在耐压、导通电阻、开关速度、开关损耗、温度特性等方面，都有比较大的突破，如图1和图2所示，是基于SIC材料和基于SI材料二极管在导通特性和反向恢复特性方面的性能比较。

图1：基于SIC材料和基于SI材料二极管在导通特性方面的性能比较

图2：基于SIC材料和基于SI材料二极管在反向恢复特性方面的性能比较

另外，基于SIC材料的肖特基二极管对比基于SI材料的PIN二极管，其并联使用扩大电流的能力有着无与伦比的优势，如图3所示。基于SIC材料的肖特基二极管，流过各自二极管的电流能够连续自主平衡分配，最终达到均流。因为其正温度系数的导通电压VF，随着温度的升高而增大，因此电流流向温度低的二极管，确保了静态电流的平衡分配。而基于SI材料的PIN二极管，流过各自二极管的电流是不能自主平衡分配的，最终必将导致失衡失效。因为其导通电压VF是负温度系数，随着温度的升高而降低，因此电流流向温度高的二极管，导致电流分配失衡扩大而最终失效。

图3：二极管并联使用扩大电流能力

另一方面，我们也可通过对电路拓扑结构的优化设计，来改善功率设备的谐波失真和提高功率设备的转换效率。

下面我们先来讨论一下AC-DC变换器的电路拓扑结构和功率器件的选型设计。图4是传统的三相二极管桥式整流电路拓扑结构，电路拓扑结构简单，但可以看出，其输入电流谐波失真大，功率因数低。图5是利用三相桥式整流器后接入BOOST升压和PFC功率因数校准的电路拓扑结构，其实现了对直流侧输出电压的控制，同时在一定程度上也改善了输入电流的波形，减少了总谐波失真THD。图6是将传统三相二极管整流器中二极管替换成可控器件的PWM整流器，其交流侧谐波电流低，直流侧输出电压可控，而且可根据不同应用场合，选择二电平、三电平、多电平等不同的输出电平，输入电流谐波失真小，功率因数高。

图4：三相二极管整流器电路拓扑结构及输入电流波形

图5：三相二极管整流器应用BOOST和PFC电路拓扑结构

图6：三相PWM整流器电流拓扑结构

目前，比较流行的充电桩AC-DC整流器基本上都采用如图7所示的三相三电平维也纳电路的拓扑结构，它是三相PWM整流器单向能量流动的改进型电路拓扑结构，由3个输入升压电感、6个快速恢复二极管、3个高速双向功率开关及2组输出电容组成。维也纳拓扑结构整流器利用工作在BOOST模式下的电感和高速双向功率开关实现直流输出电压的控制和交流输入电流的谐波抑制，同时实现了整流、功率因子校准和升压的功能。由于维也纳拓扑整流器是一种三相三电平的拓扑结构，其每一相的高速双向功率开关，仅仅承受一半的输出电压，这样有效降低了功率开关器件所承受的电压应力，不仅可提升输出电压，降低导通损耗，而且其开关过程中不存在死区问题，可进一步提高开关频率，减少电感和电容的数值和体积，提高系统的功率密度，同时，也降低了电压的突变率（du/dt），改善了系统的EMI特性。

 图7：三相三电平维也纳整流器电路拓扑结构

在维也纳拓扑整流器中，其高速双向功率开关可采用两只MOSFET管共源连接并共用一个驱动信号来实现。如图8所示，当双向功率开关开通时，电流自左向右流过左侧MOSFET管，此时右侧MOSFET管处于同步整流状态，因此当其关断时，几乎没有反向恢复电流，同时每一相只需要一路控制，不存在所谓开关直通的问题，所以，如果整流桥的二极管选取快速恢复二极管，维也纳拓扑整流器就可以工作在较高的开关频率下，如果选取基于SIC的肖特基二极管，其直流输出电压可以做的更高，工作开关频率也可以做的更高，功率密度就会更高，性价比就会更好。因为基于SIC的肖特基二极管比基于SI的快速恢复二极管，在阻断电压、导通电阻、反向恢复时间、反向恢复损耗、温度特性、可靠性等方面，都有较大的改善和突破。 当然，在该拓扑结构中，其高速双向功率开关也可以采用如图9（a）所示的由一个MOSFET管和四个功率二极管的组合来实现，图9（b）表示了其双向开关导通时的电流方向和双向开关的导通部分。

图8：双向功率开关的一种电路拓扑结构

图9：双向功率开关的另一种电路拓扑结构

那么，在维也纳拓扑整流器中，我们该如何选取相关的功率器件呢？

首先，我们要根据充电桩的技术指标确定维也纳整流器的技术参数，包括，输入最小有效值相电压Vin(rms)Min、输出电压范围Vo、输出功率Po、功率效率Ƞ、功率因数PF、电流纹波系数r、输出电压纹波∆Ｕo、输出电压最小值UoMin、开关频率fs等。

输入电感的选型设计：

输入电感同时起着升压和滤波两种作用，其值选择要适中，若电感值太小，不但会影响滤波效果，而且还会使电感电流工作于断流状态，造成系统不稳定。反之，若电感值太大，则其两端的电压较大，可能造成输入电压和输出电流不同步，影响功率因数。

一般来说，在满载的情况下，当输入交流电压为最低值时，其输入升压电感流过的电流最大。

确定最小输入相电压（有效值）Vin（rms）Min为输入线电压（有效值）范围最小值除以。

则流过电感的最大电流（有效值）为：

则流过电感的最大电流（峰值）为：

最大占空比为：

输入升压电感值应大于：

电流纹波系数r一般取：0.2 ~ 0.4

功率开关管的选型设计：

功率开关管的选型主要考虑其所能承受的电压应力和电流应力及开关损耗等。通常选择功率开关管的额定值时，需要考虑一定的裕量，一般取1.5倍的裕量，则功率开关管选型满足：

ID(Max)  ≥ 1.5 * Iin(pk)Max

                                                    VDSS    ≥ 1.5 * Uo/2

功率二极管的选型设计：

功率二极管管的选型主要考虑其所能承受的电压应力和电流应力及反向恢复时间等。通常选择功率二极管的额定值时，需要考虑一定的裕量，一般取1.5倍的裕量，则功率二极管的选型满足：

IF(Max)  ≥ 1.5 * Iin(pk)Max

                                                    VRRM   ≥ 1.5 * Uo

输出滤波电容的选型设计：

输出滤波电容的选型设计应考虑：

1. 输出直流电压纹波∆Uo，电容充电时间∆t1

2. 负载变化引起的输出直流电压波动范围，输出下限值UoMin及保持时间∆t2

则输出滤波电容值应满足：

两者之间的电容值。

后续我们将继续讨论DC-DC变换器的电路拓扑结构和功率器件的选型设计，然后，举个充电桩的实际案例加以说明，列举我们CREE的SIC产品的机会和优势，敬请关注。