2020-04-29

泰科天润:SiC器件助力电动汽车充电模块

  随着新能源汽车市场的增长,与之配套的充电需求也随之增长。今年3月4日,中共中央政治局常务委员会召开会议,研究当前新冠肺炎疫情防控和稳定经济社会运行重点工作,要加快5G网络、数据中心等新型基础设施建设进度。新能源充电桩纳入新基建,成为国家基础设施建设的重点。在4月10日的国务院联防联办发布会上,中国家发展改革委产业发展司副司长蔡荣华表示,从行业协会摸底调查的情况来看,预计今年全年能够完成投资100亿元左右,新增公共桩大概20万个左右,新增私人桩大概能超过40万个,公共充电站达到4.8万座。借助新基建带来的机遇,充电桩市场建设速度有望加快。



图源:21世纪经济报道


  目前的新能源汽车充电方式有两类:“快充”和“慢充”,“慢充”需要交流充电桩,“快充”则需要直流充电桩,而为了获得更好的充电体验,兼容更多的充电场景,“快充”方案越来越多的得到市场的关注。作为“快充”方案直流充电桩的重要组成部分——充电模块,越来越面对来自效率性能、运维成本、功率密度等多方面的压力。
  作为一种典型的电力变换装置,很多厂商都参与到这个市场的角逐, 目前,由于直流充电桩所接入的市电,多数为三相电,所以充电模块也多匹配于三相输入。主流的充电模块一般为“前级PFC+后级DC-DC”的电路结构。对于前级PFC而言,针对三相输入,绝大部分厂家都采用VIENNA结构或基于VIENNA的变种结构。对于后级DC-DC而言,多采用移相全桥或LLC以及基于其的变种结构。
  泰科天润面对充电模块等客户对于效率性能、运维成本、功率密度等多方面的需求,基于现行的各种拓扑,量产了1200V多种封装形式的SiC二极管系列产品,见表1。针对其他应用也有1200V2A/3A/5A/8A/10A/50A TO252/TO263/TO220AC/TO247等电流产品对应。


表1 泰科天润1200V系列产品选型表

备注:*单只脚


  一、拓扑


  推荐使用泰科天润1200V系列SiC二极管产品的充电模块拓扑:
  ● 前级PFC拓扑


  01 三相三线制三电平VIENNA(主流选择):

  02 两路交错并联三相三线制三电平VIENNA:

  03 单路交错式三相三线制三电平VIENNA:


  ● 后级DCDC拓扑


  01 两组交错式并联二电平全桥LLC:

  02 三电平全桥移相ZVS:

  03 三电平全桥LLC:

  04 两组交错式并联二电平全桥移相ZVZCS:


  从上述内容可以看出,SiC二极管一般应用于直流充电桩的充电模块产品中,作为VIENNA PFC的高频二极管和DC-DC次级整流二极管。


  二、选择


  01 前级PFC选择
  从经济角度来看,全SiC 的VIENNA PFC方案,成本仍较高,现阶段不是一个合理的选择;传统前级PFC方案中由于1200V Si的快恢复二极管特性较差,可以考虑用反向恢复特性更好的SiC二极管替换,与Si MOSFET配合使用,可同时降低高频二极管与Si MOSFET的温升,提升VIENNA PFC的性能;
  02 后级DC/DC选择
  ■ 对于移相全桥技术方案的DC/DC变换器,由于次级整流二极管存在反向恢复的工况,无论是1200V还是650V规格,应用SiC二极管均可大大优化整流二极管的关断损耗,提升DC/DC的性能。
  ■ 对于LLC技术方案的DC/DC变换器,由于输出整流二极管开关状态较优,在输出拓扑串联的方案,用600/650V超快恢复二极管即可满足损耗/效率的要求;对于输出并联的方案,由于1200V的Si的快恢复二极管特性较差、导通压降也较高,选用性能更优的SiC二极管进行替换后,在通态损耗和开关损耗上均有提升,可提高DC/DC的性能。(如附录1所示)


  三、附录:

  两电平全SiC LLC变换器效率测试:

  ● 测试目的:
  评估碳化硅二极管在两电平全SiC LLC变换器中应用;
  ● 测试设备:
  PA5000H 功率分析仪;可编程交流电源;干式电阻负载柜;
  ● 测试平台:
  两电平全SiC LLC变换器测试平台;
  ● 开关频率:
  150kHz-400kHz;
  ● 测试条件:
  输入电压800VDC,输出电压750VDC,工作温度25℃;
  ● 应用器件:
  G5S12030B(1200V/30A SiC二极管双管并联);
  ● 电路原理:

  ● 测试场景:

  ● 测试数据:

  ● 效率曲线:

  编辑:Henry
  测试:Austin
  校对:Tao

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泰科天润

泰科天润微信公众号:globalpowertech

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