产品应用‖全碳化硅(SiC)高功率密度、高频率的前瞻性充电桩电源参考设计方案

充电桩应用市场的变化

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目前电动汽车（EV）充电站越来越多地建在交通便利，但地段昂贵的商业城区，因此要求充电桩的体积更小、充电速度更快，同时还要适应更恶劣的工况，如灰尘多、更潮湿的环境。

所以，充电桩的设计方向是追求高密度、高电压、高功率和高可靠。SiC是目前最好的耐高压且高效率的开关半导体材料，很合适高功率应用。高效的开关特性使充电桩模块的电路功率密度提高，腾出空间给独立风道，从而提高抗水气和尘埃能力。

经过调研，瞻芯电子评估对比了3种主流充电桩电路方案拓扑的优势和不足，尝试性地提出了一个崭新电源架构，即利用电池是等效大电容的特性，采用电流源PFC加直流变压器（DC-X）来提高电源功率密度。这一架构可减少甚至省去PFC输出的电解电容。减少或消除PFC输出电容是提高功率密度、可靠性和降低成本的关键 ，而1200V SiC MOSFET可使800V级的电路采用两电平拓扑，简化了电路设计，进一步提高了功率密度。本20kW的參考设计验证了这种架构的可行性，并实现功率密度大幅度提升。

充电桩电源模块设计目标

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现有设计为2个板卡设计，功率：20kW，体积：2U x 5U x 9U， 功率密度：2.5W/mm3。


新设计目标：减少或消除内部总线电容，单板结构，降低无源元件和组装成本，利用SiC MOSFET，在不牺牲效率的情况下增加频率，只需使用两电平拓扑。
几种主流拓扑结构

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拓扑结构1：VIENNA PFC + 三电平移相全桥，三电平PFC实现了卓越的效率，但需要大容量电容器来保持电路的稳定性。



拓扑结构2：VIENNA PFC + 串联LLC，难以实现宽输出电压范围，难以适应各种电动汽车充电电压范围。



拓扑结构3：三电平PFC+串联BUCK，该拓扑实现了卓越的效率、功率密度和宽输出电压范围以及恒定功率能力。出于安全原因，需要一台工频隔离变压器。


基于SiC的拓扑选择和驱动电路要求

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在系统功率整体架构中，电池充当超级电容器，并使DC-X在最佳效率点运行，前级PFC工作在电流源模式下，PFC输出电流通过DC-X为电池充电，PFC输出电压被反射的电池电压钳位，PFC输出和DC/DC输入之间只需要有限的薄膜电容器。


在PFC架构中，在理想情况下，PFC输出功率是连续的，不存在工频级别的谐波电流，Co是薄膜电容器，用于开关电流纹波吸收。  


在DC-X架构中，使用1200V SiC MOSFET时，PFC输出电压可从600V到900V，通过在变比4：7和6：7之间切换增益，DC-X输出范围从330V到500V或从500V到750V。



当继电器K闭合时，变压器变比改变，同时二次侧变为倍压整流，输出电压从低压范围切换到高压范围。



可靠的门极驱动器起着关键作用，瞻芯电子IVCR1401 栅极驱动芯片，集成内部负压，Desat保护，以及米勒抑制。


驱动瞻芯电子SiC MOSFET IV1Q12050T4（用于前级PFC电路）  


驱动瞻芯电子SiC MOSFET IV1Q12050T3（用于后级LLC电路）


实验数据

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整体系统由两块板组成，每块板大小为1U x 2.5U x 9U，组成系统大小为1U x 5U x 9U。为了方便单独调试，PFC输出安装了大电解电容。




PFC测试数据，在输入电压三相380V，输出电压800V时测得效率和iTHD曲线





LLC测试数据，为了避免开关频率的电流纹波，并联LLC变换器必须以相同的频率工作，不同的谐振频率会导致不同的输出电流或功率，对于全桥LLC变换器，可以使用移相控制来平衡其输出电流。


系统测试数据，在直流输出端连接一个20x2x330uF/450V电容器组，以模拟电池组。PFC输出电解电容降低至68uF。DC-X输入电容器为2x12uF的薄膜电容器。





下面的效率曲线在交流输入三相400V，输出高压655V，低压435V时测得。


3种设计方案的比较

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瞻芯电子方案的优点：
提高了功率密度，减少了PFC输出电容，开关频率提高2-3倍，2电平拓扑简化了电路设计，在高开关频率下具有良好的效率。
总结和后语

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电流源PFC加DC-X是一个崭新的架构，测试验证了电路的可行性

这一架构可减少PFC输出电容，提高功率密度和产品可靠性

1200V SiC MOSFET使电路可采用两电平拓扑，简化电路，提高功率密度

IVCR1401 SiC MOSFET专用驱动IC，简化电路设计，确保电路可靠安全运行

基于1200V SiC MOSFET的电流源PFC加DC-X的架构是实现高效率高密度设计的一个很有前景的途径，在后续的全系统验证中，希望有电源公司和电池公司参与，共同开发，进一步推进充电桩模块设计的更新换代。

关于瞻芯电子

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上海瞻芯电子科技有限公司，是中国领先的碳化硅（SiC）功率半导体和芯片解决方案提供商，致力于开发碳化硅MOSFET和SBD、碳化硅MOSFET栅极驱动和控制芯片、碳化硅功率模块等产品。瞻芯电子是中国第一家自主开发并掌握6英寸SiC MOSFET产品以及工艺平台的公司，致力于围绕碳化硅功率半导体应用，为中国新能源产业提供一站式(Turn-key)芯片解决方案。

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