寬能隙半導體實現高效率EV充電

作者 : Maurizio Di Paolo Emilio,Power Electronics News & EEWeb主編

與傳統的內燃機汽車相比,電動車可以減少對環境的影響並降低營運成本。然而在電動車充電網路尚未達到類似普通加油站的毛細作用(capillarity)時,電動車必須配備車載充電電路,以便確保高效率和長距離行駛。此時,寬能隙元件即肩負重大任務…

與傳統的內燃機汽車相比,電動車(EV)可以減少對環境的影響並降低營運成本,因此它們代表了電動交通運輸(e-mobility)成功的基本因素。在電動車充電網路尚未達到類似普通加油站的毛細作用(capillarity)時,電動車必須配備車載充電電路,以便確保高效率和長距離行駛。電池的充電首先需要將電源從交流電(可從配電網路獲得)轉換為直流電。用於實現這一能量轉換的電路拓撲相當標準,包括半橋和全橋整流器電路,以及經典的「圖騰柱」配置。

如何實現高效率

經典的電動車充電樁電路由電流整流組成,跟隨一個DC-DC轉換器。整流器電路由具有非線性特性的二極體組成,因此具有相當低的功率因數和大量不期望的諧波分量。只有透過精心設計功率因數校正(PFC)電路才能實現高效率。

為了提高功率因數並減少諧波失真,通常採用基於主動功率因數校正(APFC)的解決方案。對於主動開關電路來說,APFC是必不可少的——主動開關電路在其輸入端接收整流電壓並對其進行升壓直至其達到直流設定值,從而檢查線路電流是否保持所需的正弦波形。

原則上可以說,在理想的PFC電路中,輸入電流「跟隨」輸入電壓,就表現得像純電阻一樣,並且在輸入電流中不會表現出諧波。在能夠處理幾千瓦功率的大功率設備(如電動車充電樁)中,APFC採用升壓轉換器電路實現。

如圖1所示,在一定時間間隔內,升壓轉換器使輸入電流儲存在電感中。隨後,當開關S打開時,該能量就會通過D二極體到達C0電容。電感的行為就像是與輸入電流串聯的電流源,因此輸出電壓始終高於輸入電壓:在220~240VAC輸入下,輸出獲得的電壓超過340V(全球範圍內普遍使用380~400V)。另外,請注意,PFC級之後總是跟隨DC-DC轉換器,且有與輸入有關的輸出隔離。

圖1 典型的PFC升壓轉換器的框架圖。

寬能隙元件

用MOSFET代替二極體,可以進一步改善圖1的電路—每個MOSFET都可以用作升壓開關和同步整流器。但是,高壓MOSFET的本體二極體反向恢復特性通常較差,因此,到目前為止,無橋圖騰柱電路還不是很普遍。

寬能隙(WBG)元件(例如SiC和GaN)的問世,使採用新電路實現電動車充電成為可能。WBG元件的能隙寬度比矽基元件大兩倍或三倍,因此可以承受更高強度的電壓和電場(電子從阻斷區傳遞到傳導區所需要的能量要大兩倍或三倍)。

因此,WBG元件的擊穿電壓要高得多,而導通電阻要低得多。在諸如電動車充電樁等大功率電子電路中,高擊穿電壓可簡化設計並提高效率。導通電阻值降低代表了高壓電路的另一個優點,因為它可以減少開關損耗和功率損耗,從而實現特別緊湊的封裝。WBG元件的另一個優點是,在相同的工作條件下,與矽基元件相比,它們能夠產生更低的溫度。在針對高壓應用的電路中,SiC元件可以承受高於200℃的結溫,而對應的矽元件則最高只能承受150℃的結溫。在電動車充電樁中使用WBG元件,可實現更高的開關速率和更高的能源效率,進而轉變為更緊湊、更簡單的冷卻模組。

ADI提供各種小型隔離式閘極驅動器,旨在滿足SiC和GaN等功率開關技術所需的更高開關速度和系統尺寸限制。這些隔離式閘極驅動器基於ADI成熟的iCoupler隔離技術,並結合了高速CMOS和單片變壓器技術。ADuM4122元件是一款隔離式雙路輸出驅動器,可在輸入和輸出兩個區域之間提供5kV RMS真電流隔離。在開關元件閘極需要快速上升時間的情況下,需要使用閘極驅動器。如圖2所示,ADuM4122採用由聚醯亞胺隔離層隔開的iCoupler晶片級變壓器線圈,利用高頻載波跨隔離閘傳輸資料來實現閘極驅動器控制側和輸出側之間的隔離。

圖2 ADum4122隔離功能的工作框架圖。

在高功率密度應用中,例如電動車的DC-DC轉換器,必須獲得較高的共模瞬態抗擾度(CMTI)值。高CMTI值使在高開關頻率應用中使用閘極驅動器成為可能。ADI的小尺寸閘極驅動器經過精心設計,可以承受SiC和GaN等寬能隙元件所需的高開關頻率和嚴格的時間限制。

EVAL-ADuM4122EBZ評估板(如圖3所示)可支援具有壓擺率控制的ADuM4122隔離式閘極驅動器。該評估板提供跳線和螺絲釘端子,可以配置不同的驅動條件,而在VIN+和SRC引腳上接受方波和DC值。SRC引腳可控制VOUT_SRC引腳設置為高阻態,還是遵循用戶在VIN+上提供的脈衝寬度調變(PWM)輸入的邏輯。當外部串聯閘極電阻器將VOUT和VOUT_SRC兩個引腳的輸出組合在一起時,一個隔離式閘極驅動器便可以具有兩種易於選擇的壓擺率。EVAL-ADuM4122EBZ可測試該元件的傳播延遲、驅動強度、壓擺率選擇和輸入邏輯。

圖3 EVAL-ADuM4122EBZ評估板。

無線充電

電動車無線充電會使用電感(通常放置在瀝青下方)和車載接收器。無論車輛是靜止不動還是在運動中,磁性板都會為電池連續充電,從而實現自動充電。

在無線輸電領域,工程師需要具有大功率和高效率基於GaN的解決方案。GaN Systems廣泛的電晶體產品組合提供了大功率無線充電解決方案,可為若干苛刻的應用設計更小、更便宜、更高效的電源系統。GaN Systems的650V增強模式技術採用散熱效率高、低成本的PDFN封裝進行封裝,尺寸小至5.0mm×6.0mm。這種小電流電晶體的額定電流為3.5A、8A和11A,其RDS(on)範圍從500mΩ~150mΩ。

透過合作,PowerSphyr和GaN Systems共同致力於開發適用於無線充電標準的硬體和韌體解決方案。這一夥伴關係顯示了兩家公司提供易用、高性能、完整的無線充電解決方案的承諾(圖4)。

圖4 GS-065-150 650V GaN功率電晶體。(圖片來源:GaN Systems)

(參考原文:Wide bandgap application in EV charger,by Maurizio Di Paolo Emilio)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2020年8月號雜誌

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