双向功率转换器受益于 CoolSiCTM MOSFET
品慧电子讯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。
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
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