作者：Maurizio Di Paolo Emilio

如今，通過DC進行快速充電正變得越來越流行。為了獲得更快的充電時間，必須進行外部電源轉換，并且必須進行電氣隔離，這一點很重要。電力電子設備在成本方面應該是有效的，并且應該是相當有效的。SiC肖特基二極管可以有選擇地用于優(yōu)化功率電子器件。電池借助隔離的DC輸出進行充電，而功率轉換不受限制，并且在存在200-600 DC的情況下，估計的和正常的瓦數(shù)范圍為50-300kW時，它具有主動或被動的能力［2］。功率轉換可以是單向和雙向的。變壓器的大小與開關頻率成正比。本文主要關注DC-DC部分中的單向功率流。

隔離式DC-DC轉換器拓撲

這是本質上是隔離的單向轉換器。它的初級繞組借助于單相H橋逆變器來驅動。直流輸出是通過全橋整流器產(chǎn)生的，并且為了直流輸出的清潔度需要一個輸出濾波器，可以是CL或LC。帶有LC和CL濾波器的DC-DC轉換器如圖1所示。在CL濾波器的情況下，不需要整流二極管來整流二極管。由于整流器電流不連續(xù)，H橋中的電流波形為三角形。較高的電流峰值導致三角波形效率低下。如圖2所示，在400直流輸出和500直流輸入下有120A電流充電。使用LC輸出濾波器會產(chǎn)生連續(xù)電流，該連續(xù)電流會在H橋中產(chǎn)生具有低電流峰值的方波。與使用LC濾波器有關的另一個優(yōu)勢是效率高［1］。LC濾波器的波形如圖3所示。

圖1：具有CL和LC濾波器的DC-DC轉換器

圖2：CL濾波器波形

圖3：LC濾波器波形

H橋損耗

關閉開關設備［1］時，開關損耗最為明顯。與三角形波形相比，在相同水平的直流輸出電流下，IGBT損耗的高值出現(xiàn)了50％的IGBT損耗，這都是由于三角形波形中電流的峰值較高而發(fā)生的。例如，損耗是根據(jù)以10kHz開關的IGBT技術的1200V計算得出的。如果緩沖整流器的設計不正確，則可以在IGBT損耗中檢測到部分偏移。

整流緩沖電路的設計

隨著大量損耗的耗散，整流器緩沖器開始成為問題［1］。重要的是，二極管中的Qrr被緩沖電路吸收，并應在電阻器中消散，由于整個過程，效率降低，并且對大型元件的需求增加［1］。此時，除了SiC二極管外，沒有其他幫助。

SiC肖特基二極管的優(yōu)點

與SiC器件相關的一些重要優(yōu)勢包括：

• 有降低開關損耗的趨勢。
• 不存在反向恢復費用。
• 結電容處的電荷較少，但不大于正常Si PN結處的Qrr。
• 輕松便捷地以行業(yè)標準包裝供貨。

兩個尺寸相似的整流器模塊的理論比較

這是相同尺寸的Si和SiC模塊的比較。電壓設置為600V，并且已將緩沖電容器的值選擇為最佳值，以最大程度地減小電壓［1］的過沖。

圖4：Si和SiC模塊之間的比較

硅二極管的案例研究

500kW功率在10kHz的50kW DC-DC轉換器中的緩沖電路中耗散了功率，這意味著僅在緩沖部分中耗散了輸出區(qū)域總功率的1％，這在本質上使用了標準的Si整流二極管，該二極管本質上是快速的系統(tǒng)。盡管開關頻率為40kHz，但在緩沖功耗中，可以觀察到SiC整流二極管的減小至15W。它具有效率高的優(yōu)點，它允許使用更小的組件，并且不伴有熱量的增加，因此最終將處理更少的熱量。

圖5：帶有SiC整流二極管的轉換器的原型

結論

本文提供了有關SiC肖特基二極管的便捷，簡短但內容豐富的知識，它們的優(yōu)勢，Si和SiC二極管之間的比較以及詳細的案例研究，以深入了解這一概念。SiC肖特基二極管具有提高效率，減小尺寸并降低本質上隔離的DC-DC轉換器成本的能力。肖特基二極管的正確使用可以降低整流電路中的緩沖器損耗，從而降低開關損耗。此外，已經(jīng)觀察到緩沖器的部件的成本和尺寸的大量減少。SiC器件實際上很昂貴，因此建議限制這些器件的使用，并使用其他一些最佳可用選項進行更改，以便從中獲得顯著的優(yōu)勢。所有數(shù)據(jù)都是從真實來源收集的。

注：

［1 ］使用SiC肖特基二極管提高EV快速充電器的效率APEC 2020新奧爾良，洛杉磯Leif Amber工程經(jīng)理。

［2］基于SiC的AC / DC CCM無橋車載EV充電器，帶有耦合有源電壓倍增器整流器，用于800 V電池系統(tǒng)Mehdi Abbasi，IEEE學生成員，John Lam，IEEE高級成員，可持續(xù)能源研究部高級電力電子實驗室。多倫多約克大學Lassonde工程學院電氣工程與計算機科學系，加拿大M3J 1P3

編輯：hfy