随着内燃机作为车辆主要动力源的时代逐渐结束
，电动机成为汽车行业所推崇的替代选择
。因此
，汽车原始设备制造商(OEM)开始寻求半导体行业的电子创新，以实现这个电气化的未来。电池电动汽车(BEV)是首选方案，大家都在争相获取必要知识
，以使其尽可能吸引消费者
。然而，许多人对车内的小玩意和功能过于兴奋，而车辆的续航和充电问题仍然是关键关注点
。

　　宽带隙(WBG)技术，例如碳化硅(SiC)，在汽车电源变更的背景下受益匪浅，相较于利发国际之前依赖的传统功率器件(如IGBT)，其具有显著优势。被动元件制造商同样在努力创新
。电感器的创新有助于确保WBG作为一种更快开关拓扑的优势
，从而提供更长的续航和更快
、更可靠的充电技术
。

　　所有这一切都得到了实际需求的支撑
。预计到2024年，电动汽车收入将超过6200亿美元，并以每年10%的速度增长，到本世纪末将有超过1300万辆BEV上路
。随着新一代SiC MOSFET的发布和改进的被动元件的定期推出
，大多数工程师都在思考如何有效和高效地评估其优势。

　　电动汽车电源转换器模块的共同特性

　　一个重点领域是电动汽车充电。无论是BEV还是插电式混合动力汽车(PHEV)，都有一款支持3.6 kW至22 kW功率范围的车载充电器(OBC)。这些充电器可以通过专用的墙盒或充电站向家中、路边或停车场提供交流电
。对于停在家中或工作的车辆来说，充电器非常适合在车辆休息时进行补充充电。对于较长的旅程，直流充电器可以提供快速充电。这类充电器提供40-300 kW甚至更多的功率
，可以绕过OBC，在大约20至60分钟内充电80%。

　　两种情况的充电器基本结构是相同的
。交流电输入到功率因数校正(PFC)单元
，之后是为车辆电池充电电路提供电源的DC/DC转换器(见图1)
。

　　功率效率对于最小化热量散失和节省能源至关重要，而可用空间和设计重量目标则对功率密度要求施加压力。此外

，电动汽车被视为平衡电网干扰的潜在电源(车对网，V2G)，甚至在紧急情况下为家庭提供电力(车对家
，V2H)。充电器需要双向拓扑，促使利发国际朝着图腾柱式PFC、双活桥(DAB)和LLC DC/DC转换器的方向发展
。所有这些拓扑都利用了桥腿，并且在电动汽车的电机逆变器中，这一电子元件同样存在。

　　模块化探索SiC基设计的方式

　　上述讨论的拓扑并不容易设计，因为测试过程中涉及高电压和电流
。然而，这些拓扑中的重复电路元件提供了一个机会


，可以利用模块化快速评估不同的方法

。例如，输入电感器、单个桥腿和输出电容器可以在PFC电路中被隔离。然后，可以将输入和输出电压
、电流测量以及对SiC MOSFET的控制分配给第四个执行系统控制的元件
。为此，专门用于数字功率转换器应用的微控制器是理想的选择(见图3)。

　　这是东芝为模块化电动汽车充电器参考设计概念(见图4)开展可行性研究所采用的方法
，旨在探索在满足功率水平要求的同时创建紧凑设计。它将设计分解为七个印刷电路板(PCB)
。其核心是具有四个SiC MOSFET的开关电路，采用三电平中性点钳位(NPC)设计。这有助于在开关之间共享热负载和电压应力，并减少电感器的电压-秒波动。两个SiC肖特基势垒二极管(SBD)、四个栅驱动器和一个复杂可编程逻辑器件(CPLD)用于生成精确的开关和所需的四个控制信号，构成了该设计的完整框架。

　　这些SiC MOSFET的芯片上集成了肖特基势垒二极管(SBD)，其正向电压仅为1.35V。集成的SBD是限制工作寿命期间导通电阻变化的关键。RDS(ON) × Qgd(栅排电荷)也比第二代SiC器件低80%，而更宽的VGSS额定值(-10V到+25V)简化了栅驱动电路的设计

。

　　就像任何电源转换器一样
，优化开关在应用寿命内的控制是必需的
。这通过使用光隔离的TLP5214栅驱动器实现，该驱动器提供±4.0A的输出以实现快速开关
，并与东芝的第三代SiC MOSFET配对。该驱动器还具有集成的主动米勒钳位，以避免寄生dV/dt触发的导通。

　　利用功能实现紧凑的立方体PFC设计

　　为了在所需的功率水平上实现紧凑的立方体设计

，高电流路径中的互连采用铜轨和机械金属间隔件将电路板固定在一起。这导致实施的寄生电感增加

，限制了可以使用的开关速度
，但保持了PCB技术的简单性。

　　电感器和电容器电路板(见图5)都具有相同的电流和电压测量电路。电流使用霍尔传感器测量
，而电压则通过TLP7820光隔离运算放大器以差分方式测量
。在其输入侧，这些使用sigma-delta模数转换器驱动LED
。产生的光信号输入放大器，经过1位数模转换器(DAC)和低通滤波器转换。该方法提供了高增益精度(±0.5%)
、小增益漂移(0.00012 V/°C)和低非线性(VIN = ±200 mV时为0.02%)。TLP7820获得了UL/cUL认可

，并通过了VDE/CQC认证。

　　在桥腿
、电容器和电感器电路板之间是控制器电路板，采用TXZ+ Arm Cortex-M4F微控制器。其特别适合数字功率控制的原因在于其先进的脉宽调制(PWM)模块，包括带死区控制的三相互补输出。此外
，它可以与由12位片上ADC进行的模拟测量硬件同步。还有三个可增益选择的运算放大器可用
。微控制器还设有一个向量引擎块
，可以卸载并加速复杂计算，如正弦和余弦变换
，以及Clarke和Park变换，这对PFC和电机逆变器应用也非常有利

。

　　高功率密度与可重用性

　　借助最新的SiC MOSFET技术，这种紧凑的立方体PFC设计目标是以0.99的功率因数和高达99%的效率提供22 kW的功率。其尺寸为140 × 140 × 210 mm³
，意味着功率密度为3 kW/dm³。由于其模块化，桥腿SiC MOSFET
、电容器、电感器和微控制器电路板可以轻松在其他电源转换器应用中试用，从而减轻开发负担。

　　通过创建这种模块化设计概念，东芝旨在支持对WBG技术不太熟悉的开发团队，并使其能够探索SiC MOSFET在工作温度下的坚固性、较低的RDS(ON)和更高的开关频率能力，这对许多人来说仍然是一项新技术。

利发国际科技专注功率器件领域，为客户提供igbt
、IPM模块等功率器件以及MCU和触控芯片
，是一家拥有核心技术的电子元器件供应商和解决方案商。