碳化硅模塊助力更可靠更高效的換電站快充電路設(shè)計

換電與充電并存

在電動車發(fā)展的過程當中，充電和換電是兩個同時存在的方案。車載充電OBC可以通過兩相或三相電給汽車充電，但其無法滿足快充的需求。現(xiàn)在充電樁發(fā)展迅速，已經(jīng)有600kW的超充出現(xiàn)，充電速度越來越逼近換電速度，但對電網(wǎng)壓力很大，還需要時間普及。換電則采取另外的方式，古代加急文書傳遞時，士兵在驛站更換體力充沛的馬匹繼續(xù)前行就是這種理念。動力電池作為電動汽車當中最昂貴的部件，其可靠性至關(guān)重要，部分車主不太能接受隨意更換動力電池的方式。而接受換電方式的用戶則可以提前享受到接近油車加油時間的使用感受。相信兩個模式還會在一段時間內(nèi)同時存在，直到極速充電得到普及。關(guān)于充電和換電的優(yōu)缺點，一直是網(wǎng)上的爭論熱點。今天來談一談?chuàng)Q電站中充電電路設(shè)計，以及安森美(onsemi)碳化硅模塊給電路設(shè)計帶來的優(yōu)勢。

充電站電路結(jié)構(gòu)

1. PFC    

充電站中的充電電路部分功能與功率范圍和直流充電樁類似，作用是用電網(wǎng)交流電源給汽車電池充電，功率也同樣是超過OBC功率的大功率快速充電，通常大于50kW。其對接電網(wǎng)部分是三相有源功率因數(shù)校正電路，以下以PFC簡稱。PFC 可保持輸入電流和電壓之間的相位關(guān)系，并將線路/電網(wǎng)電流中的總諧波失真 （THD） 降至最低。現(xiàn)在新的設(shè)計越來越多的需要雙向工作的能力，實現(xiàn)能量在電池與電網(wǎng)間的雙向流動。目前流行的三相PFC線路有三種：6開關(guān)，T-NPC，I-NPC。

圖1  6開關(guān)三相PFC線路

圖2  T-NPC三相PFC線路

圖3  I-NPC三相PFC線路

6開關(guān)電路簡潔，直接支持雙向工作，但需要較高耐壓能力的功率器件。

T-NPC或I-NPC則可以選擇較低電壓的主動開關(guān)器件，但若要有雙向工作能力，則需要將圖中的部分二極管替換為主動開關(guān)器件MOS或IGBT。

在汽車相關(guān)的電路設(shè)計當中，可靠性至關(guān)重要。6開關(guān)三相PFC電路，擁有最簡潔的電路設(shè)計，如果是雙向的設(shè)計則更加明顯。在1200伏SIC MOSFET已經(jīng)大批量應用在汽車電路設(shè)計的情況下，這種架構(gòu)無疑是非常有吸引力的，特別是雙向設(shè)計中。充電站中的電路設(shè)計需要更多考慮效率，因其整個生命周期的電路運行時間很長，設(shè)計上以效率為優(yōu)先可以節(jié)約更多電能降低電費。因此碳化硅器件是優(yōu)先的選擇，尤其是對開關(guān)性能要求比較高的PFC部分。考慮到充電站的功率往往都比較大，單管并聯(lián)的方案面臨比較大的設(shè)計挑戰(zhàn)，其整體可靠性設(shè)計也相當困難。而模塊方案則簡化了整體的設(shè)計，可靠性優(yōu)勢巨大。

圖4  安森美碳化硅模塊

安森美的碳化硅模塊，擁有比較全的內(nèi)阻檔位選擇，3mΩ-40mΩ內(nèi)阻范圍適合不同功率的設(shè)計選取，采用半橋架構(gòu)方便應用在PFC和DC-DC電路中。其出色的熱管理給用戶帶來出色的整體散熱性能，散熱部分自帶隔離特性大大方便設(shè)計與制造。相對于分立器件方案，整機可靠性大大提高，制造難度大大降低。

NXH003P120和NXH004P120是采用新一代M3S技術(shù)的領(lǐng)先產(chǎn)品，其極低的內(nèi)阻和寄生參數(shù)，非常適合PFC部分需要，同時具有優(yōu)秀的開關(guān)性能和低導通內(nèi)阻?？梢詭椭脩魧崿F(xiàn)非并聯(lián)設(shè)計的更高功率輸出。

2. LLC和CLLC

PFC電路和電池之間是DC-DC部分，通常需要隔離。單向設(shè)計較多采用LLC諧振電源或移相全橋PSFB（Phase Shifted Full Bridge）。而雙向設(shè)計則更多采用 CLLC 或 DAB（dual active bridge）。今天以LLC和CLLC為例，談一談碳化硅模塊在充電站DC-DC電路中的應用優(yōu)勢。

LLC電路性能在各方面都表現(xiàn)很好，尤其是在最佳工作點附近時，可以實現(xiàn)非常理想的工作狀態(tài)，進而得到很高的運行效率。LLC其本身就具有雙向工作能力（副邊采用主動整流器件如SIC MOSFET），只是反向工作時無法實現(xiàn)LLC方式工作，只能工作在較差的工作點（LC串聯(lián)諧振模式），整體效率較低。CLLC（副邊增加L2,C2）則可以兼顧正向與反向工作點設(shè)計。

圖5  雙向設(shè)計的CLLC 電路結(jié)構(gòu)

充電站一般要求兼容800V和400V電池，DC-DC次級可以分成兩個線圈來通過串聯(lián)或并聯(lián)來對應800V或400V電池。這樣可以大大降低設(shè)計的負載電壓范圍，實現(xiàn)在更靠近理想工作點來工作，進而提升效率節(jié)約電費。

雖然LLC和CLLC是諧振電源，其對開關(guān)器件的開關(guān)性能要求沒有PFC級那樣嚴格，但SIC MOSFET依然有很大優(yōu)勢。首先，電池的電壓在充電過程中一直在變動，LLC的原邊并非能一直在理想工作點附近工作，SIC MOSFET的開關(guān)能力依然有優(yōu)勢。其次，整流一側(cè)的整流管要求好的開關(guān)性能，在充電器是雙向工作的電路設(shè)計中，原邊和副邊都會在某一個模式下當作整流管使用，單向設(shè)計中，副邊始終是整流模式。SIC MOSFET的體二極管擁有很好的開關(guān)性能，可以更好的勝任整流工作的需求，降低關(guān)斷時反向恢復電流帶來的影響。

圖6  M3S技術(shù)帶來的效率提升明顯

安森美的SIC MOSFET模塊，尤其是基于新一代M3S技術(shù)開發(fā)的NXH003P120和NXH004P120提供出色的內(nèi)阻和開關(guān)特性，以及出色的體二極管開關(guān)特性，非常適合充電站DC-DC部分特別是雙向設(shè)計的電路。可以幫助用戶實現(xiàn)單模塊非并聯(lián)設(shè)計高功率輸出能力。

安森美EliteSiC模塊

總之，在高功率充電電路設(shè)計中，碳化硅技術(shù)可以帶來高效率的目標，節(jié)能的同時具有高可靠性（更高的耐溫特性）。碳化硅模塊則更加為設(shè)計和制造帶來方便，進一步提升產(chǎn)品的整體可靠性，在充電站這種高強度商業(yè)性應用場景，高效率和高可靠性更加重要。

圖7  采用1200V SIC MOSFET設(shè)計帶來的簡化

安森美擁有不同類型的碳化硅模塊產(chǎn)品，適應不同電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計，今天介紹的三相6開關(guān)PFC和LLC、CLLC結(jié)構(gòu)非常適合采用1200V 半橋SIC MOSFET模塊。其提供簡單的電路結(jié)構(gòu)，和天然的雙向工作能力，第三代M3S SIC MOSFET技術(shù)賦予其高效的性能。包括兩款(NXH003P120M3F2PTHG/NXH004P120M3F2PTHG)，采用標準F2封裝，具有出色的Rds(on)。M3S技術(shù)專為高速開關(guān)應用而開發(fā)，在開關(guān)損耗、Coss和Eoss方面具有優(yōu)異的品質(zhì)。

另外安森美提供新的Elite Power仿真工具，通過創(chuàng)新的PLECS模型實現(xiàn)了技術(shù)突破，對于硬開關(guān)和軟開關(guān)應用（例如LLC和CLLC諧振、雙有源橋和移相全橋等）都適用。該工具能夠精確呈現(xiàn)電路在使用我們的EliteSiC產(chǎn)品系列時的工況。

下面是F2封裝的SIC MOSFET 模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和外觀圖以及半橋類1200V SIC模塊的選型表。這些產(chǎn)品可以涵蓋25KW到100KW的功率范圍，提供簡潔的設(shè)計和高效率高可靠的快速充電整機性能。

圖8  SIC M3 MOS 模塊F2封裝半橋圖例

圖9  SICMOS半橋模塊選型