Projektowanie z użyciem technologii węglika krzemu w dwukierunkowych ładowarkach pokładowych

Węglik krzemu ma wiele zalet

Ze względu na unikalną kombinację wysokiego krytycznego pola elektrycznego, dużej prędkości dryfu elektronów, wysokiej temperatury i wysokiej przewodności cieplnej, SiC jest preferowanym rozwiązaniem w systemach o dużej mocy. Na poziomie tranzystorów, prowadzi to do niskiej rezystancji w stanie włączenia (R_DS(on)) i niskich strat przełączania, co czyni go idealnym do zastosowań wysokoprądowych i wysokonapięciowych.

Oprócz SiC istnieją dwie inne opcje odpowiednie dla konstrukcji o dużej mocy: krzemowe (Si) MOSFETy i krzemowe IGBT. MOSFET Si jest niepraktyczny w zastosowaniach o dużej mocy w technice totem-pole PFC. Odwrotne odzyskiwanie diody Si MOSFET w korpusie prowadzi do wysokich strat mocy w trybie przewodzenia ciągłego (continuous-conduction mode, CCM), tak więc jej użycie jest ograniczone do pracy w trybie nieciągłym i zastosowań o niskim poborze mocy. Z kolei SiC MOSFET pozwala totem-pole PFC działać w CCM, zapewniając wysoką wydajność, niskie EMI i zwiększoną gęstość mocy. Jeśli chodzi o napięcie znamionowe, Si MOSFET może mieć dobrą wydajność R_DS(on) do 650 V. Dla klasy 1200 V, R_DS(on) komponentu Si MOSFET będzie zbyt wysoki do zastosowań o dużej mocy.

MOSFET SiC ma również kolejną przewagę nad tranzystorem IGBT. IGBT nie zawiera diody body, zamiast której można zastosować ultraszybką diodę. Jednak maksymalna częstotliwość przełączania tranzystora IGBT jest ograniczona ze względu na jego wysokie straty przełączania. Niska częstotliwość przełączania zwiększa wagę i rozmiar elementów magnetycznych i pasywnych w porównaniu z rozwiązaniem SiC.

Dwukierunkowa architektura OBC średniej mocy (<6,6 kW)

OBC średniej mocy zwykle działa w oparciu o jednofazowe wejścia 120V lub 240V z szyną 400V DC. Topologia to jednofazowy totem-pole PFC, po którym następuje konwerter CLLC DCDC, tak jak pokazano na Rysunku 5.

Rysunek 5: Wysokowydajna architektura OBC, wykorzystująca SiC i totem-pole PFC © Wolfspeed

Dla 6,6 kW, dwa równoległe 60 mΩ MOSFET (np. Wolfspeed E3M0060065K) lub jeden 25 mΩ mogą być użyte dla każdej pozycji w PFC i jedno 60 mΩ (E3M0060065K) lub 45 mΩ (np. Wolfspeed E3M0045065K) dla każdej pozycji w DCDC. Wybór urządzeń dla tego dwukierunkowego projektu OBC podsumowano w poniższej tabeli.

Tabela 1: Mosfety do wyboru dla wysokosprawnej dwukierunkowej architektury OBC (3,3–6,6 kW).

Projekt referencyjny OBC o mocy 6,6 kW oparty na architekturze przedstawionej na Rysunku 5 został stworzony przez zespół Wolfspeed, aby zademonstrować wydajność i praktyczne zastosowanie SiC MOSFET w tej aplikacji.

Tabela 2: Specyfikacja dwukierunkowego OBC o mocy 6,6kW. © Wolfspeed

Dwukierunkowe projekty OBC o większej mocy (11 kW/22 kW)

Przy wyższych poziomach mocy, takich jak 11 kW lub 22 kW, napięcie akumulatora może wynosić 400V lub 800V, ale jak wspomniano wcześniej, generalnie rynek zmierza w kierunku upowszechnienia 800V. Rysunek 6 przedstawia schemat blokowy trójfazowego systemu o dużej mocy dwukierunkowego OBC.

Rysunek 6: Schemat blokowy systemu dla trójfazowego dwukierunkowego OBC dużej mocy. © Wolfspeed

Wersja 11 kW może wykorzystywać 75 mΩ 1200V MOSFET (np. E3M0075120K) dla PFC i strony pierwotnej konwertera CLLC. Po stronie wtórnej wersja dla akumulatora 800V wykorzystuje te same tranzystory MOSFET 75 mΩ. MOSFET 40 mΩ 1200 V może być używany w aplikacjach o wysokiej wydajności. W przypadku aplikacji z baterią 400V można wybrać cztery tranzystory MOSFET 650V 25 mΩ po stronie wtórnej.

Konstrukcja 22kW jest podobna do wersji OBC o mocy 11 kW, ale wyższa moc wyjściowa wymaga niższych urządzeń R_DS(on). Dla PFC i strony pierwotnej DCDC został użyty tranzystor MOSFET 32 mΩ 1200 V. Tak jak poprzednio, strona wtórna może wykorzystywać te same urządzenia po stronie pierwotnej dla aplikacji magistrali 800 V lub zastąpić 650 V 15 mΩ dla aplikacji 400 V. Wybór komponentów do projektowania układu trójfazowego dużej mocy podsumowano w tabeli 3.

Tabela 3: MOSFET do układów dwukierunkowego OBC 11kW i 22kW. © Wolfspeed

Wolfspeed opracował dwa projekty referencyjne dla 3-fazowego dwukierunkowego OBC, jeden dla trójfazowego PFC 22kW, jeden dla 22kW DCDC. Poniższa tabela przedstawia wymagania dla OBC o dużej mocy 22 kW. Konstrukcja OBC osiąga ogólną sprawność powyżej 96%, ze szczytową sprawnością DC/DC większą niż 98,5%, zarówno w trybie ładowania, jak i rozładowania. Bardziej szczegółowe informacje można znaleźć na stronie internetowej Wolfspeed dla trójfazowego PFC 22 kW i 22 kW DC/DC.

Tabela 4. Specyfikacja trójfazowego PFC i DCDC 22 kW dla dwukierunkowego OBC © Wolfspeed

Konstrukcja oparta na węgliku krzemu o mocy 22 kW z wejściem jednofazowym i wejściem trójfazowym

W wielu europejskich domach zasilanie trójfazowe jest łatwo dostępne, ale typowe domy amerykańskie, azjatyckie i południowoamerykańskie standardowo mają tylko zasilanie jednofazowe 240V. W tym przypadku, projekt OBC o dużej mocy 22 kW może być kompatybilny zarówno z jednofazowym, jak i trójfazowym systemem w celu zmniejszenia OBC SKU. Czwarta odnoga jest dodawana do konwencjonalnego trójfazowego PFC w sposób zastosowania przez projektanta techniki przeplatania dla wejścia jednofazowego. Rysunek 7 przedstawia przeplatany totem-pole PFC z trzema sekcjami o wysokiej częstotliwości oraz czwartą odnogą o niskiej częstotliwości. Odnoga wysokiej częstotliwości PFC dostarcza 6,6 kW za pomocą tranzystorów MOSFET SiC 32 mΩ 1200V. Odnoga o niskiej częstotliwości - ​​aby obniżyć koszty - może wykorzystywać dwa tranzystory IGBT Si. W warunkach gdy dostępna jest praca trójfazowa, obwód ten może automatycznie przekonfigurować się do pracy trójfazowej, pozostawiając czwartą nogę wolną.

Rysunek 7: Przeplatany totem-pole PFC dla konstrukcji jednofazowej 22 kW © Wolfspeed

Podsumowanie: węglik krzemu kontra krzem w dwukierunkowym OBC o mocy 22 kW

W dwukierunkowym OBC rozwiązanie oparte na SiC jest lepsze od rozwiązania opartego na Si we wszystkich istotnych aspektach: kosztu, rozmiaru, wagi, gęstości mocy i wydajności. Na przykład w przypadku dwukierunkowego OBC o mocy 22 kW, szczegółowe porównanie side-by-side (Dlaczego warto wybrać SiC zamiast Si w projekcie dwukierunkowej ładowarce pokładowej?) pokazuje, że rozwiązanie oparte na SiC pokazane na rysunku 6 wymaga 14 komponentów zasilających i 14 sterowników bram a konstrukcja oparta na Si wymaga po 22 komponenty każdego typu.

Porównując wydajność, konstrukcja SiC osiąga sprawność 97% i gęstość mocy 3 kW/L, w porównaniu z krzemem o sprawności 95% i 2 kW/L.

Wreszcie, analiza kosztów systemu pokazuje, że rozwiązanie oparte na Si jest o około 18% droższe niż projekt w technologii SiC. Opisane zalety dają oszczędności w całym okresie użytkowania rzędu ok. 550 USD w przypadku systemu SiC w porównaniu z konstrukcją Si.

Komponenty z węglika krzemu Wolfspeed

Funkcja dwukierunkowa to nowy trend w projektach EV OBC. MOSFET’y SiC od Wolfspeed odpowiadają na wiele wyzwań związanych z projektowaniem zasilania, dostarczając urządzenia o niskiej rezystancji włączenia, bardzo niskiej pojemności wyjściowej i niskiej indukcyjności źródła, zapewniając idealne połączenie niskich strat przełączania i niskich strat przewodzenia. W porównaniu z rozwiązaniami opartymi na Si, technologia komponentów zasilających Wolfspeed SiC umożliwia zwiększenie gęstości mocy systemu, wyższe częstotliwości przełączania, zmniejszoną liczbę i rozmiar komponentów (takich jak cewki indukcyjne, kondensatory, filtry i transformatory), a także potencjalną redukcję kosztów systemu.

Odwiedź Centrum Wiedzy Wolfspeed.

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy Arrow

Link do oryginału: Designing with Silicon Carbide in Bidirectional On-Board Chargers autor Jianwen Shao © Wolfspeed