寬帶隙器件如何在雙向電源轉(zhuǎn)換中增加價(jià)值

作者：UnitedSiC高級(jí)應(yīng)用工程師Jonathan Dodge, P.E.

摘要

寬帶隙（WBG）開關(guān)器件由于其高速度和高效率而得到應(yīng)用，這種器件可減小功率轉(zhuǎn)換器的尺寸、重量和損耗。對(duì)這些參數(shù)特別敏感電動(dòng)汽車充電器和功率轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用通常需要雙向功率流以獲得多余的機(jī)械或電能。本文將著眼于這些應(yīng)用，分析一些典型解決方案，并討論寬帶隙器件如何能夠增加系統(tǒng)的價(jià)值。

大多數(shù)功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用是將原始電源轉(zhuǎn)換為不同的穩(wěn)定電壓，通常還具有電隔離功能。其中一個(gè)典型的應(yīng)用場(chǎng)景是筆記本電腦適配器，將交流電源轉(zhuǎn)換為低壓直流（DC）電源。另一個(gè)場(chǎng)景是便攜式設(shè)備中電池放電時(shí)，將電壓提升至恒定的較高值，這些都是單向轉(zhuǎn)換。但隨著新能源和電動(dòng)車輛的日益普及，需要功率能夠在兩個(gè)方向上流動(dòng)以獲取多余能量。這種應(yīng)用的一個(gè)例子是太陽能設(shè)備，當(dāng)太陽能電池完全充電時(shí)，DC太陽能電池板功率可以“反饋”到交流電網(wǎng)中，而在晚上，交流電可以反過來通過雙向轉(zhuǎn)換器/逆變器向電池充電。另一種應(yīng)用是電動(dòng)車輛，其中雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器將400V動(dòng)力電池電壓降至12V以用于輔助設(shè)備。當(dāng)動(dòng)力電池處在比較危險(xiǎn)的低電量時(shí)，DC-DC轉(zhuǎn)換器在緊急情況下能夠?qū)⒐β蕪?2 V反轉(zhuǎn)到400 V（見圖1）。

圖1：一個(gè)典型的電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)。

(圖片版權(quán)所有者： 美國(guó)能源部)

在能量以這種方式在電池之間交換時(shí)，必須考慮充電機(jī)制，其中12V鉛酸電池需要控制電流直到其達(dá)到完全充電狀態(tài)，之后是涓流電流。相比之下，400 V鋰離子電池則需要非常小心地控制恒定電壓[1]。因此，轉(zhuǎn)換器控制算法必須適應(yīng)能量流的方向。目前正在考慮的一個(gè)方案是，通過家庭充電站中的另一個(gè)雙向轉(zhuǎn)換器或逆變器將充電電池能量返回到電網(wǎng)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)分布式電網(wǎng)儲(chǔ)能。

實(shí)現(xiàn)雙向轉(zhuǎn)換器

為了實(shí)現(xiàn)更高效率，能量收集必須有最小量的損失，因此功率轉(zhuǎn)換器需要采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)以獲得最佳效率，這意味著會(huì)增大復(fù)雜性。實(shí)現(xiàn)雙向電源轉(zhuǎn)換器可能初看起來比較復(fù)雜，因此一些設(shè)計(jì)只是簡(jiǎn)單地采用兩個(gè)獨(dú)立的“反并聯(lián)”轉(zhuǎn)換器，并具有感應(yīng)能力以激勵(lì)其中一個(gè)。這可能是一種“更容易”的設(shè)計(jì)，但會(huì)導(dǎo)致高兩倍的元件數(shù)量和相應(yīng)的成本。

一種更優(yōu)雅和更具成本效益的方法是將相同的功率組件配置為在兩個(gè)方向上運(yùn)行，這樣做并不像看起來那么困難。以一種400V動(dòng)力電池和12V輔助電池的情況為例，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)雙向、具有電隔離的能量交換。從400 V到12 V，首選功率級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個(gè)全橋電路，可以限制開關(guān)應(yīng)力，并能夠高效地使用隔離變壓器。其輸出是兩相整流器，將其作為首選是因?yàn)樗蓪?shí)現(xiàn)最小應(yīng)力和最少的元件數(shù)量，這種結(jié)構(gòu)如圖2a所示。12 V電源如何反向轉(zhuǎn)換為400 V可能并不明顯，但請(qǐng)看圖2b：正常情況下，12 V輸出二極管由同步整流器代替，開關(guān)Q1-4可以設(shè)置為OFF，只留下體二極管D1-4在電路中運(yùn)行。從右到左觀察，可以看到一個(gè)熟悉的電路，一個(gè)帶有全橋輸出整流器的電流饋電推挽式功率級(jí)。所有的功率器件或磁性元件都沒有發(fā)生變化，它們只是以不同的方式控制來確定能量流的方向。Q1-4也可以作為同步整流器主動(dòng)開關(guān)以提高效率，盡管在400V時(shí)，電流較低，這樣做可能不是必需的。使用現(xiàn)有的專用芯片來控制功率級(jí)是實(shí)現(xiàn)雙向功能的關(guān)鍵[2]?？刂艻C通常位于低壓側(cè)，因?yàn)樗梢苑奖愕貜?2V電池獲取啟動(dòng)電源，如果高壓側(cè)是相移全橋拓?fù)洌≒SFB）架構(gòu)，控制器能夠輕松地通過簡(jiǎn)單的變壓器使柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)越過隔離屏障。由于信號(hào)總是固定寬度，只是彼此之間具有相移以實(shí)現(xiàn)調(diào)制，變壓器可以輕松應(yīng)對(duì)可變脈沖寬度，導(dǎo)致不同峰值的正向和負(fù)向柵極電壓。

圖2：配置為雙向功率流的同步整流器。

類似的方式可用AC-DC轉(zhuǎn)換器完成，其中主動(dòng)橋式整流器被配置為逆變器的支路，用于反向能量流動(dòng)。當(dāng)代一種技術(shù)是使用“圖騰柱”整流器和功率因數(shù)校正（PFC）級(jí)，這非常適合配置為替代逆變器（見圖3）。

圖3：“圖騰柱”PFC級(jí)可配置為逆變器。

功率轉(zhuǎn)換中的寬帶隙器件

寬帶隙、碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）半導(dǎo)體器件現(xiàn)在是硅功率器件的主流替代品。作為開關(guān)產(chǎn)品，它們具有比硅器件更低的導(dǎo)通電阻，更快的邊沿速率（edge rates），并且具有更高的工作溫度。分立式SiC二極管沒有反向恢復(fù)電荷，具備更高的額定電壓。 SiC開關(guān)堅(jiān)固耐用，具有高雪崩能量和出色的短路電流額定值，并且具有極快的體二極管。SiC MOSFET、JFET和共源共柵結(jié)構(gòu)（級(jí)聯(lián)型）目前市場(chǎng)都可以提供，其中共源共柵型是Si-MOSFET和JFET的“常關(guān)斷”組合，具有接近理想的開關(guān)特性（見圖4）。

圖4：Si-MOSFET和SiC JFET的共源共柵配置。

雖然WBG器件可適合于多種電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用，但它們特別適用于那些效率和尺寸為主要考慮因素的雙向轉(zhuǎn)換器?？焖匍_關(guān)邊沿使器件具有高工作頻率和低開關(guān)損耗，這反過來允許采用更小的被動(dòng)元件，特別是小的磁性元件。

如果圖2b電路中的Q1-4配置為同步整流器，而不是將其設(shè)置為OFF并允許體二極管形成整流器，則開關(guān)可能是高壓Si-MOSFET，與SiC相比，這些開關(guān)損耗也會(huì)更高。高壓MOSFET還具有較差的體二極管反向恢復(fù)特性，這可能導(dǎo)致器件失效。因而可以使用SiC共源共柵，雖然它具有高額定電壓，但具有與低壓Si開關(guān)類似的等效體二極管，同樣具有非常低的正向壓降和快速恢復(fù)，因而也可實(shí)現(xiàn)低損耗運(yùn)行。

通常情況下，全橋Q1-4作為功率級(jí)會(huì)通過諧振模式中的“相移”控制進(jìn)行操作。當(dāng)前，對(duì)于幾百瓦以上的應(yīng)用，這是實(shí)現(xiàn)最佳效率的優(yōu)選模式，并可在開關(guān)導(dǎo)通時(shí)實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)（ZVS），外部電感能夠與變壓器電容和開關(guān)輸出電容COSS實(shí)現(xiàn)共振。SiC器件，特別是共源共柵，具有非常低的COSS值，因而只需相對(duì)較低的外部電感用于諧振，這有助于增大占空比范圍和/或最大化開關(guān)頻率。

SiC和雙向功率轉(zhuǎn)換相互補(bǔ)充

如上所述，SiC器件有助于實(shí)現(xiàn)雙向功率轉(zhuǎn)換，并可實(shí)現(xiàn)更低能量損耗等重要參數(shù)， 這是太陽能和電動(dòng)汽車等應(yīng)用中電池系統(tǒng)收集能量的重要指標(biāo)。UnitedSiC可提供各種SiC二極管、JFET和SiC FET共源共柵，并可提供大量、非常有用的應(yīng)用資料支持。