【導讀】隨著內燃機作為汽車主要動力源的時代逐漸消逝，汽車行業青睞電動機作為替代選擇。反過來
，汽車 OEM 也希望半導體行業能夠提供實現電氣化未來所需的電子創新。純電動汽車 (BEV) 是shi，每mei個ge人ren都dou希xi望wang在zai必bi要yao的de知zhi識shi方fang麵mian處chu於yu地di位wei
，以yi使shi其qi盡jin可ke能neng具ju有you吸xi引yin力li。然ran而er，許xu多duo人ren對dui汽qi車che內nei的de設she備bei和he功gong能neng過guo於yu興xing奮fen，而er汽qi車che續xu航hang裏li程cheng和he充chong電dian仍reng然ran是shi主zhu要yao問wen題ti。

隨著內燃機作為汽車主要動力源的時代逐漸消逝，汽車行業青睞電動機作為替代選擇。反過來
，汽車 OEM 也希望半導體行業能夠提供實現電氣化未來所需的電子創新。純電動汽車 (BEV) 是shi，每mei個ge人ren都dou希xi望wang在zai必bi要yao的de知zhi識shi方fang麵mian處chu於yu地di位wei
，以yi使shi其qi盡jin可ke能neng具ju有you吸xi引yin力li。然ran而er，許xu多duo人ren對dui汽qi車che內nei的de設she備bei和he功gong能neng過guo於yu興xing奮fen，而er汽qi車che續xu航hang裏li程cheng和he充chong電dian仍reng然ran是shi主zhu要yao問wen題ti。

寬帶隙 (WBG) 技術（例如碳化矽 (SiC)）受益於汽車電源的這種變化，並且比我們以前依賴的傳統功率器件（例如 IGBT）具有顯著優勢。無源元件製造商也在努力。電感器的創新有助於確保 WBG 作為更快開關拓撲的優勢，從而提供更大的範圍和更快
、更可靠的充電技術。

所有這些都有切實的需求支撐。電動汽車的收入預計將在 2024 年達到 6200 億美元以上，並以每年 10% 的速度增長
，到 2020 年，道路上將增加 1300 多萬輛電動汽車。隨著新一代 SiC MOSFET 的發布和改進的無源器件的定期推出，大多數工程師都會想知道如何有效且高效地評估它們的優勢。

電動汽車電源轉換器模塊的共性

重點領域之一是電動汽車充電。純電動汽車和插電式混合動力汽車(PHEV) 均配備車載充電器(OBC)，支持 3.6 kW 至 22 kW 的功率範圍。這些充電器可通過家中
、lubianhuotingchechangdezhuanyongbiguashichongdianxianghuochongdianzhantigongjiaoliudian。duiyutingzaijiazhonghuogongzuochangsuodecheliang，zaiqichetingfangshichongdianshilixiangdexuanze。duiyuchangtulvxing
，zhiliuchongdianqikezaituzhongtigongkuaisuchongdian。zhexiechongdianqiketigong 40 – 300 kW 甚至更高的功率，繞過 OBC，在大約 20 到 60 分鍾內提供 80% 的電量。

兩種充電器的基本結構相同。交流電被饋入功率因數校正 (PFC) 單元，然後由 DC/DC 轉換器為車輛電池的充電電路供電（圖 1）。

圖 1. 電動汽車充電係統的基本模塊。

功gong率lv效xiao率lv對dui於yu減jian少shao散san熱re和he節jie省sheng能neng源yuan至zhi關guan重zhong要yao，而er可ke用yong空kong間jian和he設she計ji重zhong量liang目mu標biao則ze對dui功gong率lv密mi度du要yao求qiu施shi加jia壓ya力li。此ci外wai，電dian動dong汽qi車che被bei視shi為wei平ping衡heng電dian網wang幹gan擾rao（車輛到電網，V2G）甚至在緊急情況下為家庭供電（車輛到家庭，V2H）的潛在電源。充電器需要雙向拓撲，這讓我們走向圖騰柱式 PFC
、雙有源橋 (DAB) 和 LLC DC/DC 轉換器。所有這些拓撲都使用橋臂
，而從電動汽車的電機逆變器來看
，這種電子元件也出現在那裏。

圖 2. 橋臂在 PFC
、DC/DC 和逆變器設計中很常見。圖片由Bodo’s Power Systems提供 

探索基於 SiC 的設計的模塊化方法

所(suo)討(tao)論(lun)的(de)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)都(dou)不(bu)容(rong)易(yi)設(she)計(ji)，測(ce)試(shi)期(qi)間(jian)會(hui)產(chan)生(sheng)高(gao)電(dian)壓(ya)和(he)電(dian)流(liu)。但(dan)是(shi)
，這(zhe)些(xie)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)中(zhong)重(zhong)複(fu)的(de)電(dian)路(lu)元(yuan)件(jian)提(ti)供(gong)了(le)使(shi)用(yong)模(mo)塊(kuai)化(hua)快(kuai)速(su)評(ping)估(gu)不(bu)同(tong)方(fang)法(fa)的(de)機(ji)會(hui)。例(li)如(ru)，輸(shu)入(ru)電(dian)感(gan)器(qi)、單橋臂和輸出電容器可以在 PFC 電路內隔離。然後可以將輸入和輸出電壓和電流測量以及 SiC MOSFET 的控製分配給執行係統控製的第四個元件。為此，專用於數字電源轉換器應用的微控製器是理想的選擇（圖 3）。

圖 3.  PFC 可分解為輸入電感器、輸出電容器、橋臂和控製塊。許多塊也用於 DC/DC 轉換器和電機逆變器。圖片由Bodo’s Power Systems  [PDF]提供

這是東芝為探索在滿足功率水平要求的同時創建緊湊型設計的模塊化電動汽車充電器參考設計概念（圖 4）而開展的可行性研究所采用的方法。它將設計分解為七個印刷電路板 (PCB)。其是開關板，該開關板具有四個 SiC MOSFET

，采用三級中性點鉗位 (NPC) 設計。這支持在開關之間共享熱負載和電壓應力

，並減少電感器上的伏秒紋波。兩個 SiC 肖特基勢壘二極管 (SBD)、四個柵極驅動器和一個複雜可編程邏輯器件 (CPLD) 可產生的開關和所需的四個控製信號，完善了設計。

SiC MOSFET包括一個片上集成內置肖特基勢壘二極管 (SBD)，其正向電壓僅為 1.35V。這種集成 SBD 是限製工作壽命內導通電阻變化的關鍵。R DS(ON) × Q gd（柵極漏極電荷）也比第二代 SiC 器件低 80%，而更寬的 V GSS額定值（-10V 至 +25V）簡化了柵極驅動器電路設計。

與任何電源轉換器一樣
，需要在應用的整個使用壽命內對開關進行控製。這是使用光隔離 TLP5214 柵極驅動器實現的
，該驅動器可提供 ±4.0A 輸出以實現快速切換，然後與東芝的第三代 SiC MOSFET 配對。該驅動器還具有集成有源米勒鉗位
，可避免寄生 dV/dt 觸發導通。

利用緊湊型立方體 PFC 設計的功能

為wei了le在zai所suo需xu功gong率lv水shui平ping下xia實shi現xian緊jin湊cou的de立li方fang體ti設she計ji

，在zai高gao電dian流liu路lu徑jing中zhong使shi用yong銅tong軌gui和he將jiang電dian路lu板ban固gu定ding在zai一yi起qi的de機ji械xie金jin屬shu墊dian片pian實shi現xian互hu連lian。這zhe會hui導dao致zhi實shi現xian的de寄ji生sheng電dian感gan增zeng加jia
，從cong而er限xian製zhi了le可ke以yi使shi用yong的de開kai關guan速su度du，但dan保bao持chi了le PCB 技術的簡單性。

圖 4.  SiC Cube PFC 設計中的載流機械互連和銅軌細節。圖片由Bodo’s Power Systems提供 [PDF]

電感器和電容器板（圖 5）都具有相同的電流和電壓測量電路。電流使用霍爾傳感器測量，而電壓使用 TLP7820 隔離運算放大器差分測量。在輸入端，它們使用 sigma-delta 模數 (ADC) 轉換器來驅動 LED。產生的光信號通過 1 位數模轉換器 (DAC) 和低通濾波器轉換後輸入放大器。這種方法提供高增益精度 (±0.5%)、小增益漂移 (0.00012 V/°C) 和低非線性 (V IN = ±200 mV 時為 0.02%)。TLP7820 已獲??得 UL/cUL 和 VDE/CQC 批準。

 圖 5. 電容板和電感板都具有相同的電流和電壓測量電路。圖片由Bodo’s Power Systems提供 [PDF]

橫跨橋臂
、電容器和電感器板的是控製器板，該板具有 TXZ+ Arm Cortex-M4F 微控製器。它特別適合數字電源控製的原因在於其先進的脈衝寬度調製 (PWM) 模塊
，其中包括具有死區時間控製的三相互補輸出。此外，它可以在硬件中與 12 位片上 ADC jinxingdemoniceliangtongbu。haitigongsangezengyikexuandeyunsuanfangdaqi。weikongzhiqihaijuyoushiliangyinqingkuai，keyixiezaihejiasufuzadejisuan，ruzhengxianheyuxianyiji Clarke 和 Park 變換
，這對 PFC 和電機逆變器應用也大有裨益。

高功率密度，可重複使用

利用的 SiC MOSFET 技術，這種緊湊型長方體 PFC 設計旨在以 0.99 的功率因數和高達 99% 的效率提供 22 kW 的功率。其尺寸為 140 × 140 × 210 mm3 
，相當於 3 kW/dm3 的功率密度。由於其模塊化

，橋臂 SiC MOSFET、電容器、電(dian)感(gan)器(qi)和(he)微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)板(ban)可(ke)以(yi)輕(qing)鬆(song)地(di)在(zai)其(qi)他(ta)電(dian)源(yuan)轉(zhuan)換(huan)器(qi)應(ying)用(yong)中(zhong)試(shi)用(yong)，從(cong)而(er)減(jian)輕(qing)開(kai)發(fa)負(fu)擔(dan)。通(tong)過(guo)創(chuang)建(jian)這(zhe)種(zhong)模(mo)塊(kuai)化(hua)設(she)計(ji)概(gai)念(nian)，東(dong)芝(zhi)旨(zhi)在(zai)支(zhi)持(chi)新(xin)接(jie)觸(chu) WBG 技術的開發團隊，並探索 SiC MOSFET 的穩健性
、工作溫度下的較低 RDS(ON) 和更高的開關頻率能力
，對許多人來說，這仍然是一項新技術。

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