使用SiC肖特基二极管改进电动汽车快速充电器

如今，通过直流快速充电变得越来越流行。为了获得更快的充电时间，有必要进行外部电源转换，并且电流隔离很重要。电力电子设备在成本方面应该是有效的，并且应该相当高效。碳化硅肖特基二极管可选择性用于电力电子设备的优化。电池在隔离的 DC 输出的帮助下充电，而功率转换不受限制，并且具有主动或被动的能力，在 200-600 DC 的情况下，估计和正常瓦数范围为 50-300kW [2]。功率转换既可以是单向的，也可以是双向的。变压器的大小与开关频率成正比 本文主要关注DC-DC部分的单向潮流。

隔离式 DC-DC 转换器拓扑

这是一个本质上是隔离的单向转换器。其初级绕组在单相 H 桥逆变器的帮助下驱动。直流输出是在全桥整流器的帮助下产生的，直流输出的清洁度需要一个输出滤波器，可以是 CL 或 LC。带有 LC 和 CL 滤波器的 DC-DC 转换器如图 1 所示。在用于二极管整流的 CL 滤波器的情况下，不需要缓冲器。由于整流电流不连续，H 桥中的电流波形呈三角形。较高的电流峰值是导致三角波效率低下的原因。在 400 DC 输出和 500 DC 输入下有 120A 电流充电，如图 2 所示。使用 LC 输出滤波器会产生连续电流，从而在 H 桥中产生具有低电流峰值的方波。使用 LC 滤波器的另一个优点是效率高 [1]。LC滤波器的波形如图3所示。 

图 1：带有 CL 和 LC 滤波器的 DC-DC 转换器

图 2：CL 滤波器波形

图 3：LC 滤波器波形

H 桥损耗

当关闭开关设备时，开关损耗最为突出[1]。与相同水平的直流输出电流下的三角波形相比，较高值下 50% 的 IGBT 损耗发生，这一切都是因为三角波形中的电流峰值较高。例如，损耗是以 10kHz 开关频率的 IGBT 技术的 1200V 为基础计算的。如果缓冲整流器设计不当，则可以在 IGBT 损耗中检测到部分偏移。

整流缓冲电路的设计

随着大量损耗的消耗，整流器缓冲器开始出现问题 [1]。重要的是，二极管中的 Qrr 被缓冲电路吸收并应在电阻器中消散，因此整个过程会降低效率，并且增加了对大型元件的需求 [1]。在这一点上，除了 SiC 二极管之外别无他法。

碳化硅肖特基二极管的优点

与 SiC 器件相关的一些显着优势包括：

有降低开关损耗的趋势。

不存在反向恢复电荷。

结电容处有少量电荷，但不大于普通 Si PN 结处的 Qrr。

行业标准包中的简单和现成的可用性。

两种尺寸相似的整流模块的理论比较

这是相同尺寸的 Si 和 SiC 模块的比较。电压设置为 600V，缓冲电容器的值已选择为最佳值，以最大限度地减少电压过冲 [1]。

图 4：Si 和 SiC 模块之间的比较

硅二极管案例研究

500W 功率耗散在 50kW DC-DC 转换器的缓冲电路中，频率为 10kHz，这意味着输出区域总功率的 1% 仅耗散在缓冲部分。系统。尽管开关频率为 40kHz，但可以在缓冲器功耗中观察到 SiC 整流二极管的减少至 15W。它的优点是效率高，允许使用更小的组件，并且不会导致任何增加的热量水平，因此最终将处理较少的热量。

图 5：带有 SiC 整流二极管的转换器原型

结论

本文提供了有关 SiC 肖特基二极管、它们的优势、Si 和 SiC 二极管之间的比较以及深入了解该概念的详细案例研究的方便、简短但信息丰富的知识。碳化硅肖特基二极管具有提高效率、减小尺寸并降低本质上隔离的 DC-DC 转换器成本的能力。肖特基二极管的正确使用具有降低整流电路中缓冲器损耗的功效，从而降低开关损耗。此外，已经观察到缓冲器组件的成本和尺寸有很大的降低。SiC 器件实际上很昂贵，因此建议限制这些器件的使用，并与其他一些最佳可用选项交替使用，以便从中获得显着优势。所有数据均来自真实来源。

　　审核编辑：汤梓红