本文讨论如何设计基于 SiC-MOSFET 的 6.6kW 双向电动汽车车载充电器。
介绍
随着世界转向更清洁的燃料替代品，电动汽车运输领域正在经历快速增长。此外，配备足够电池容量的电动汽车可用于支持独立负载（V2L）和补充电网功率（V2G）。因此，EV OBC 的设计趋势是向双向运行能力过渡。
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大化效率。双向 OBC 由一个双向 AC-DC 转换器和一个隔离式双向 DC-DC 转换器组成。传统的LLC谐振转换器最初是作为提高DC-DC转换器效率的解决方案而提出的［1］。然而，鉴于其单向设计，转换器在反向工作模式下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，DC-DC级选择了双向CLLC谐振转换器［3］ - ［4］，因为它在充电和放电模式下均提供高效率和宽输出电压范围。
最流行的单相PFC拓扑是传统的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，也不支持双向操作［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］。然而，硅MOSFET体二极管的反向恢复导致连续导通模式（CCM）下的高功率损耗，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被认为取代CCM图腾柱PFC和CLLC转换器中的硅MOSFET［8］。遗憾的是，由于IGBT的高开关损耗，实际开关频率受到限制。此外，具有更高功率密度的更轻的OBC的目标受到磁性
元件和谐振
电路的重量和尺寸以及附加的反并联SiC二极管的负面影响。
由于SiC MOSFET的体二极管具有良好的反向恢复性能，交错式CCM图腾柱PFC可作为3.3 kW OBC 的前端级［9］。针对高功率密度和简单控制，本设计选用单相单扼流圈CCM图腾柱PFC解决方案。
对于热管理，在 OBC 应用中，采用 TO-247 封装的 MOSFET 通常反向组装在
PCB 上。然后将它们安装在平坦的冷却底板上。然而，当MOSFET弯曲时，PCB面积增加，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一个可容纳
半导体和磁性元件的工具散热器。功率半导体安装在散热器的外侧，允许垂直MOSFET组装，从而减少PCB尺寸。然后使用散热器插槽内的导热化合物灌封磁性元件。从加工铝散热器到系统冷却底板的热阻很低。例如，设计了基于SiC MOSFET的6.6 kW双向OBC。变换器在充电模式和放电模式下工作的实验结果表现出高效率和高功率密度。
双向 OBC 的规格和体系结构 双向 OBC 规范
框图、直流母线电压和开关频率选择
演示了基于 1200V SiC MOSFET 的 500-840V 可变直流母线的 OBC 设计，用于 250-450V 电池电压 ［10］。OBC的整体效率得到了优化，但是，1200V SiC MOSFET的成本很高。PFC MOSFET和PFC扼流圈的功率损耗也会随着高直流母线电压而增加。840V 直流母线设计需要两个额定电压为 500V 或 450V 的 E 电容。直流母线电容器和PFC扼流圈的尺寸更大。
图腾柱PFC直流母线385-425V双向直流/直流电池250-450
图 1：双向 OBC 的系统框图
工业中常用的450 V Ecap经过优化，尺寸更小，成本更低。当使用非串行的450V Ecaps时，直流母线电压最大为425V。385V 直流母线是为交流输入（高达 265VAC）保持足够功率的最低电压。在此设计中，如图所示。2、OBC的直流母线电压在385至425V之间可变，与充电模式下的固定400V直流母线相比，CLLC转换器在250V-450V电池电压范围内具有更小的所需增益范围和更好的效率。
直流母线 380-425V
图 2：直流母线电压与电池电压的关系：数字控制器根据实际电池电压调整直流母线电压 （380-425V）。这是为了帮助DC/DC转换器以较小的增益范围工作。
为了在功率密度、效率、热性能和传导EMI之间取得平衡，图腾柱PFC的高频半桥Q1和Q3的开关频率选择67kHz。
为了实现高功率密度和高效率，CLLC转换器谐振频率选择200kHz，频率范围选择150至300kHz。它是功率密度、效率和热性能之间的权衡。对于低输出电压下的轻负载，本设计采用PFM和相移控制的组合。
功率场效应管选择
为了提高CCM图腾柱PFC和双向CLLC谐振转换器的效率和可靠性，需要一个快速反向恢复体二极管。对于图腾柱PFC的高频硬开关操作，较小的Coss是首选，对于CLLC谐振转换器实现具有较低磁化电流和更短消隐时间的零电压开关（ZVS）也至关重要。随着磁化电流的减小，MOSFET 的传导损耗和关断开关损耗可以降至最低。这对于优化CLLC转换器的效率非常重要，尤其是在高频下。最大直流母线电压为 425V，电池为 450V。考虑到电压降额可靠性要求，在 OBC 应用中首选 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，CCM图腾柱PFC的高频半桥选择了两个并联器件。 PFC的低频半桥以及CLLC谐振转换器的直流母线侧和电池侧均选择单个C3M0060065D。
数字控制器选择
选择数字控制器TMS320F28377D来实现OBC的图腾柱PFC和CLLC转换器在充放电模式下的灵活控制。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 至 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。
磁性元件和关键参数
PFC 扼流圈设计用于将图腾柱 PFC 电流纹波保持在 40% 以下。最大电流纹波发生在低线路、高电池电压和满负载时。所需的最小电感为75μH，由下式计算得出。
考虑到磁导率随直流偏置而降低，无直流偏置的PFC扼流圈选择230μH。为了在磁芯损耗和直流偏置能力之间取得平衡，扼流圈由 2 层 KAM185-060A 磁芯制成［11］。绕组由 36 圈 2 股 AWG-13 电磁线组成。
CLLC转换器的主变压器设计满足450V/14.67A和366V/18A输出的要求。最大磁通密度和磁芯损耗专为 425V 直流母线和 450V/14.67A 输出而设计并经过验证。绕组导线尺寸设计用于最大电流条件，输出为 366V/18A。采用无梭形设计，可以充分利用核心的窗口区域。接下来，为6.6kW CLLC转换器选择使用3C97材料的PQ5040内核。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15：14的匝数比。选择60μH的磁化电感，以确保CLLC MOSFET的ZVS。
结论
本文设计并评估了SiC MOSFET上的6.6kW双向OBC。直流母线电压范围优化为 385 至 425V，对于 OBC，常见的电池电压范围为 250 至 450V。基于650V 60mohm SiC MOSFET C3M0060065D工程样品构建了原型，验证了设计的性能和热完整性。该原型展示了 54 W/in3 的功率密度和充电和放电模式下超过 96.5% 的峰值效率，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性元件集成在同一工具散热器上，由于 650V SiC MOSFET 的功率损耗低，可以在双向高功率转换应用（例如 EV 的 OBC）中实现高功率密度和高效率。
