设计基于SiC-MOSFET的6.6kW双向EV车载充电器

随着世界朝着使用更清洁燃料的方向发展，电动汽车运输部门正在经历快速增长。此外，配备有足够电池容量的电动汽车可潜在地用于支持独立负载（V2L），并补充电网功率（V2G）。因此，EV OBC的设计趋势是向双向操作能力的过渡。
为了优化电动汽车的空间和重量，OBC设计需要高功率密度和最高效率。双向OBC由双向AC-DC转换器和隔离的双向DC-DC转换器组成。最初提出了传统的LLC谐振转换器作为提高DC-DC转换器效率的解决方案[1]。但是，鉴于其单向设计，在反向操作模式下，转换器的电压增益受到限制，因此无法实现转换器的预期优势[2]-[3]。随后，选择双向CLLC谐振转换器[3]-[4]作为DC-DC级，因为发现它在充电和放电模式下均可提供高效率和宽输出电压范围。
最受欢迎的单相PFC拓扑是常规PFC升压转换器。不幸的是，二极管桥式整流器的传导损耗效率不高，也不支持双向运行[5]。接下来，考虑使用图腾柱无桥PFC升压转换器，以减少二极管数量并提高效率[6]，[7]。但是，硅MOSFET体二极管的反向恢复会导致连续导通模式（CCM）中的高功率损耗，从而使其不适用于高功率应用。随后，与SiC肖特基二极管并联的lGBT被认为可以代替CCM图腾柱PFC和CLLC转换器中的硅MOSFET [8]。可悲的是，由于IGBT的高开关损耗，实际的开关频率受到限制。进一步，
由于SiC MOSFET的体二极管具有良好的反向恢复性能，因此交错式CCM图腾柱PFC可以用作3.3 kW OBC的前端[9]。为了实现高功率密度和简单控制，本设计选择了单相单扼流圈CCM图腾柱PFC解决方案。
对于热管理，在OBC应用中，通常将TO-247封装的MOSFET反组装在PCB上。然后将它们安装在平坦的冷却底板上。但是，当MOSFET向下弯曲时，PCB面积会增加，从而对系统的整体功率密度产生负面影响。
所提出的方法是利用容纳半导体和磁性材料的工具散热器。功率半导体安装在散热器的外侧，可进行垂直MOSFET组装，从而减少了PCB尺寸。然后，使用散热片内部的导热胶灌封磁性材料。从工具铝制散热器到系统冷却基板的热阻很低。例如，设计了基于SiC MOSFET的6.6 kW双向OBC。在充电模式和放电模式下运行的转换器的实验结果显示出高效率和高功率密度。

双向OBC的规范和体系结构双向OBC规范 6.6kW双向车载充电器的主要设计规格

• 交流输入/输出电压90 – 265AC
• 直流输入/输出电压250 – 450VDC
• 额定功率6.6kW充电；3.3kW放电
• 峰值效率> 96.5％充放电
• 基板温度65°C
• PCBA尺寸220x180x50mm
  

方框图，直流母线电压和开关频率选择图1显示了双向OBC的系统框图。
基于1200V SiC MOSFET的OBC设计具有500-840V可变直流母线，可用于250-450V电池电压[10]。虽然优化了OBC的整体效率，但是1200V SiC MOSFET的成本很高。高直流母线电压也会增加PFC MOSFET和PFC扼流圈的功率损耗。840V直流链路设计需要两个串联的500V或450V额定E电容。直流母线电容器和PFC扼流圈的尺寸较大。
图腾柱PFC DC Link 385-425V双向DC / DC电池250-450
业界常用的450 V Ecap经过优化，具有更小的尺寸和更低的成本。当不串联使用450V Ecaps时，直流母线电压最大为425V。385V直流链路是为交流输入保持足够功率所需的最低电压，最高265VAC。在这种设计中，如图2所示，OBC的直流链路电压可在385V至425V之间变化，从而使CLLC转换器在250V-450V电池电压范围内所需的增益范围更小，效率更高。在充电模式下固定400V直流母线。

直流母线380-425V
为了在功率密度，效率，热性能和传导EMI之间取得平衡，选择图腾柱PFC的高频半桥Q1和Q3的开关频率为67kHz。
为了实现高功率密度和效率，CLLC转换器的谐振频率选择为200kHz，频率范围选择为150至300kHz。这是功率密度，效率和热性能之间的权衡。对于低输出电压下的轻载，本设计中采用了组合的PFM和相移控制。

功率MOSFET的选择
CCM图腾柱PFC和双向CLLC谐振转换器都需要快速反向恢复体二极管，以提高效率和可靠性。对于图腾柱PFC的高频硬开关操作而言，较小的Coss是首选​​，并且对于以较低的励磁电流和较短的CLLC谐振转换器实现零电压开关（ZVS）也是至关重要的。通过减小励磁电流，可以使MOSFET的导通损耗和关断开关损耗最小化。这对于优化CLLC转换器的效率非常重要，尤其是在高频下。直流母线最大电压为425V，电池为450V。考虑到降额可靠性要求，在OBC应用中最好使用650V SiC MOSFET。
为了提供6.6kW的输出功率，采用TO-247封装的C3M0060065D 650V 60mohm SiC MOSFET，为CCM图腾柱PFC的高频半桥选择了并联的两个部分。选择单个C3M0060065D作为PFC的低频半桥以及CLLC谐振转换器的DC链路侧和电池侧。

数字控制器选择
选择数字控制器TMS320F28377D在充电和放电模式下实现对OBC图腾柱PFC和CLLC转换器的灵活控制。如图1所示，TMS320F28377D为图腾柱PFC和CLLC转换器提供12个独立的PWM G1-G12到MOSFET Q1-Q12。数字控制器还处理实时CAN通信，启动序列，OCP，OTP，UVP和OVP。

磁性和关键参数
PFC扼流圈旨在将图腾柱PFC电流纹波保持在40％以下。最大电流纹波出现在低压线路，高电池电压和满载情况下。所需的最小电感为75µH，可通过以下公式计算得出。
V_ {in} ：^ 2  frac {（V_o- sqrt {2V_ {in}}）} {kP_ofsV_o}">
考虑到磁导率会随着直流偏置而降低，因此为无直流偏置的PFC扼流圈选择230µH。为了在铁损和直流偏置能力之间取得平衡，扼流圈由2叠KAM185-060A铁芯组成[11]。绕组由36匝2股AWG-13电磁线组成。
CLLC转换器的主变压器旨在满足450V / 14.67A和366V / 18A输出的要求。针对425V直流母线和450V / 14.67A输出设计并验证了最大磁通密度和铁芯损耗。绕组线的尺寸设计为最大电流条件，输出为366V / 18A。采用无骨架设计，可以充分利用芯子的窗口区域。接下来，为6.6kW CLLC转换器选择使用3C97材料的PQ5040磁芯。为了满足250V450V电池在充电和放电模式下的增益范围要求，选择了15:14的匝数比。选择60µH的励磁电感以确保CLLC MOSFET的ZVS。

结论
在本文中，设计并评估了6.6kW双向SiC MOSFET的OBC。对于OBC，每250至450V的普通电池电压范围，直流母线电压范围就被优化为385至425V。建立了一个基于650V 60mohm SiC MOSFET C3M0060065D的工程样品​​的原型，以验证设计的性能和热完整性。该原型展示了54 W / in3的功率密度以及在充电和放电模式下的峰值效率均高于96.5％的原型，其中CCM图腾柱PFC转换器为67 kHz，CLLC谐振转换器为150-300 kHz。
通过将功率半导体和功率磁器件集成在同一工具散热器上，由于650V SiC MOSFET的低功率损耗，因此在双向高功率转换应用（例如EV的OBC）中可以实现高功率密度和高效率。