一种基于碳化硅MOSFET的充电模组的制作方法

本实用新型涉及一种基于碳化硅MOSFET的充电模组。

背景技术：

充电桩其功能类似于加油站里面的加油机，可以固定在地面或墙壁，安装于公共建筑(公共楼宇、商场、公共停车场等)、居民小区停车场或充电站内，可以根据不同的电压等级为各种型号的电动汽车充电。充电桩的输入端与交流电网直接连接，输出端都装有充电插头用于为电动汽车充电。充电桩一般提供常规充电(交流桩)和快速充电(直流桩)两种充电方式，用户可以使用特定的充电卡在充电桩提供的人机交互操作界面上刷卡使用，进行相应的充电方式、充电时间、费用数据打印等操作，充电桩显示屏能显示充电量、费用、充电时间等数据。

直流充电桩主要由直流充电模组、刷卡计费单元、电表、通信模块、输入开关、浪涌保护器、绝缘监测模块等组成。非车载直流充电模组是电动汽车直流充电桩的核心组件，通过将380VAC交流电转换成稳定的直流电源，给电动汽车电池充电。

目前直流充电模组主要采用硅基功率器件，如硅基IGBT、CMOS等，受硅基功率器件开关频率、耐压及结温等关键参数的限制，在电路拓扑结构一般采用前级维也纳加后级多电平LLC变换器方式。普遍存在温度特性差(环境温度50℃开始降额输出)、电能转换效率低(94％)及功率密度较低等问题，直接导致直流充电桩的工作可靠性降低，尤其在夏季高温时因环境温度较高所导致的充电桩故障率居高不下，直接影响了充电桩的推广及后期的运营成本；

1.由于主功率器件采用硅器件，器件的结温较低的特性限制了功率模块的最高工作环境温度；在环境温度50℃时即开始降额输出，在环境温度65℃时关机保护；

2.由于传统硅器件额结温只能到150℃，而且相对而言热导率较低；在高温，尤其在夏季高温状态下，极易因过热导致功率器件损坏从而引发模块故障，大大降低了充电桩的运营可靠性；

3.受限于传统硅器件的工作频率及较低的耐压等级，在电路拓扑结构上一般只能基于COMS的多电平变换器，或基于IGBT的两电平全桥变换器；受限于器件的开关频率及电压等级的限制，模块的最大功率只能做到15kW，进一步提升功率容量需要通过并联更多的功率器件，容易导致器件开关时间不一致影响器件寿命甚至烧毁器件的问题；同时，因为工作频率较低，相应的模块内部滤波电感、电容、及变压器等的体积及重量较大，限制了模块功率密度的提升。

而随着电动汽车续航里程的增加及用户对缩短充电时间的需求，直流充电桩的功率将进一步提升；需要通过并联模块的方式提升直流充电桩的输出功率；但充电模块并联数量过多将导致整桩数据通信速率的降低，通信故障概率的提升等一系列问题，影响整桩可靠性的提升；若采用碳化硅的方案去设计充电模组，可利用碳化硅高频的优势，提高模组的开关频率，从而实现小型化和轻量化的设计；此外，采用碳化硅功率器件，其工作温度要比硅功率器件的工作温度高，可使整机实现更高的工作温度，提高了充电模组的可靠性。

由于碳化硅功率MOSFET由于材料的差异和应用要求也导致其对驱动电路的要求与传统硅功率MOSFET及IGBT存在一定的不同之处，具体包括碳化硅功率MOSFET需要更高驱动电压以获得较低的导通电阻，关断时需要加入一定的负压以防止器件发生误导通，减小驱动回路的寄生参数和增大驱动电流能力以获得功率开关管高频开关动作、抑制碳化硅功率MOSFET在桥式电路中的串扰问题等，这些都对碳化硅功率MOSFET的驱动电路提出了更高的要求。若直接沿用现有硅功率MOSFET及IGBT的驱动方案，很容易造成碳化硅MOSFET的失效。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题，在于提供一种基于碳化硅MOSFET的充电模组，降低成本。

本实用新型是这样实现的：一种基于碳化硅MOSFET的充电模组，包括AC/DC电路、DC/DC电路以及控制器；所述控制器连接至所述AC/DC电路以及DC/DC电路，所述控制器对DC/DC电路的输出电压进行采样；所述AC/DC电路以及DC/DC电路中的晶体管为碳化硅MOSFET；

所述控制器根据DC/DC电路的输出电压控制AC/DC电路的母线电压处于650V至850V。

进一步地，所述充电模组还包括复数个驱动电路，所述控制器通过所述驱动电路用于驱动AC/DC电路以及DC/DC电路。

进一步地，每个驱动电路包括隔离模块、驱动模块以及电阻模块，所述隔离模块、驱动模块以及电阻模块依次连接，所述驱动模块的正驱动电压为18V至22V，所述驱动模块的负驱动电压为-2.5V至-4.5V。

进一步地，所述电阻模块的开通电阻为2欧姆至8欧姆。

进一步地，所述电阻模块的关断电阻小于或等于开通电阻。

进一步地，所述隔离模块的CMTI大于或等于25kV/us。

进一步地，所述AC/DC电路为PWM电路，其中PWM电路中的晶体管为碳化硅MOSFET。

进一步地，所述DC/DC电路为LLC谐振变换电路，其中LLC谐振变换电路中的晶体管为碳化硅MOSFET。

本实用新型的优点在于：本实用新型一种基于碳化硅MOSFET的充电模组的有点如下：

1、主要功率器件全部采用碳化硅，并对其他无源器件进行优化，使得系统在环境温度65℃条件下仍可满足满负荷长期稳定输出；可以解决高温尤其是夏季充电难的问题；

2、主要功率器件均工作于软开关工作状态，且采用前后级闭环控制策略，充电模块的电能转换效率满载可达96％以上，在减低充电电能损耗的同时，因自身发热降低，主要的电气部件均能工作在一个较低的温度范围内，大大提升了充电模块的系统稳定性和可靠性；

3、充分利用碳化硅功率器件相对较高的耐压及负的温度系数，通过电路拓扑结构的优化，可实现单模块30kW大功率输出，易于功率容量的扩展，以满足用户对缩短充电时间的需求；

4、通过采用全碳化硅功率器件，系统的工作频率大大提升，相对应系统中所采用的滤波电感、滤波电容、变压器等材料的依赖程度大大降低，使得系统的综合成本得到大幅优化；比传统的采用硅功率器件相比较，不但体积重量可降低30％以上，同时还具备一定的成本优势。有利于产品的市场推广；

5、驱动电路能够提高碳化硅功率MOSFET的开关速度，减小开关损耗，进而提开关电源工作的开关频率，同时防止了寄生参数引起的碳化硅功率MOSFET误动作，提高了碳化硅功率MOSFET工作的可靠性，尤其是能够充分满足碳化硅MOS管的驱动要求，最大程度发挥其性能的优势。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本实用新型作进一步的说明。

图1是本实用新型一种基于碳化硅MOSFET的充电模组的原理图。

图2是本实用新型一种基于碳化硅MOSFET的充电模组的PWM整流电路的原理图。

图3是本实用新型一种基于碳化硅MOSFET的充电模组的LLC谐振电路的原理图。

图4是本实用新型一种基于碳化硅MOSFET的充电模组的LLC谐振电路的充电单元并联方式原理图。

图5是本实用新型一种基于碳化硅MOSFET的充电模组的驱动电路的原理图。

图6是本实用新型一种基于碳化硅MOSFET的充电模组的驱动电路的驱动模块电路图一。

图7是本实用新型一种基于碳化硅MOSFET的充电模组的驱动电路的驱动模块电路图二。

图8是本实用新型一种基于碳化硅MOSFET的充电模组的驱动电路的电阻模块实施例一。

图9是本实用新型一种基于碳化硅MOSFET的充电模组的驱动电路的电阻模块实施例二。

图10是本实用新型一种基于碳化硅MOSFET的充电模组的驱动电路的电阻模块实施例三。

具体实施方式

请参阅图1所示，本实用新型基于碳化硅MOSFET的充电模组，包括AC/DC电路、DC/DC电路以及控制器；所述控制器连接至所述AC/DC电路以及DC/DC电路，所述控制器对DC/DC电路的输出电压进行采样；所述AC/DC电路以及DC/DC电路中的晶体管为碳化硅MOSFET；

所述控制器根据DC/DC电路的输出电压控制AC/DC电路的母线电压处于650V至850V；如图1所示，输出电压为Vout+与Vout-，母线电压为DC+与DC-；

所述AC/DC电路为PWM电路，其中PWM电路中的晶体管为碳化硅MOSFET，所述DC/DC电路为LLC谐振变换电路，其中LLC谐振变换电路中的晶体管为碳化硅MOSFET。

如图1所示，交流侧EMI滤波器和直流侧EMI滤波器分别和PWM整流器和LLC谐振变换器相连。辅助电源则从PWM整流器与LLC谐振变换器二者之间的直流上取电，作为辅助电源的输入，辅助电源的输出端则接到控制器上。对于控制器而言，控制器上的模拟信号采样电路则对主功率电路的三个部分进行采样，分别为PWM整流器输入端的三相电压和电流、PWM整流器和LLC谐振变换器之间的直流母线电压以及LLC谐振变换器输出端的直流电压和电流；控制器为PWM整流器和LLC谐振变换器提供驱动信号。

如图2所示，PWM整流电路，包括MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4、MOS管Q5、MOS管Q6、电容C_f1、电感L_a、电感L_b以及电感L_c，所述电感L_a、电感L_b以及电感L_c的一端部连接至电源，所述电感L_a的另一端连接至所述MOS管Q1的源极以及MOS管Q4的漏极，所述电感L_b的另一端连接至所述MOS管Q2的源极以及MOS管Q5的漏极；所述电感L_c的另一端连接至所述MOS管Q3的源极以及MOS管Q6的漏极，所述MOS管Q1的漏极、MOS管Q2的漏极以及MOS管Q3的漏极连接至所述电容C_f1的一端部，所述MOS管Q4的源极、MOS管Q5的源极以及MOS管Q6的源极连接至所述电容C_f1的另一端部，所述MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4、MOS管Q5以及MOS管Q6为碳化硅MOSFET，所述MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4、MOS管Q5以及MOS管Q6为耐压大于等于1000V的碳化硅MOSFET。

本整流电流采用直流侧电压外环和交流侧电流内环相结合的双环控制方式，可采用多种不同的调制方式，实现了将交流电压转换为直流电压的功能。通过采用SVPWM空间矢量调制，与传统的SPWM调制相比，在交流电压保持一定的前提下，可实现更宽范围的直流电压输出。

通过电感L_a、电感L_b以及电感L_c连接至交流电，之后进行转化为直流电，之后通过电容C_f1两端连接出去(该两端连接至LLC变换器)，为其提供直流电，大大降低对交流侧滤波电感的依赖；本电路结构简单，在降低系统体积及重量的同时，可大大降低系统成本。

如图3所示，LLC谐振变换电路，包括MOS管Q7、MOS管Q8、MOS管Q9、MOS管Q10、变压模块、电容C_r、电容C_f、电感L_r以及电容C_f2，所述电容C_f2的一端分别连接所述MOS管Q7的漏极以及MOS管Q8的漏极，所述电容C_f2的另一端分别连接MOS管Q9的源极以及MOS管Q10的源极；所述电容、电感及变压模块的原边为串联关系，三者构成串联支路，该串联支路的一端与MOS管Q7的源极与MOS管Q9的漏极相连，串联支路的另一端与MOS管Q8的源极与MOS管Q10的漏极相连，所述变压模块的副边连接至所述电容C_f两端部，所述MOS管Q7、MOS管Q8、MOS管Q9以及MOS管Q10为碳化硅MOSFET，所述MOS管Q7、MOS管Q8、MOS管Q9以及MOS管Q10为耐压大于等于1000V的碳化硅MOSFET。

所述变压模块包括至少一变压单元，所述变压单元包括变压器T1、二极管D1、二极管D2、二极管D3以及二极管D4，所述变压器T1原边串联与所述串联支路，所述变压器T1副边的一端部连接所述二极管D1的正极以及二极管D3的负极；所述变压器T1副边的另一端部连接所述二极管D2的正极以及二极管D4的负极；所述二极管D1的负极以及二极管D2的负极连接至所述电容C_f的一端部，所述二极管D3的正极以及二极管D4的正极连接至所述电容C_f的另一端部。

如图4所示的较佳实施例中，各个所述变压单元相互并联。

其中通过电容C_f2的两端连接至前级的PWM整流电路，之后通过电容C_f两端连接至负载；并将MOS管Q7、MOS管Q8、MOS管Q9以及MOS管Q10的栅极连接至控制器即可。

LLC谐振变换器主要通过控制变压器原边的四颗MOS管(即Q7～Q10)，通过改变四颗MOS管的开关频率或者改变MOS管Q7、Q9与MOS管Q9、Q10之间的相位角，调整谐振部分(即谐振电容Cr、谐振电感Lr与变压单元中变压器的励磁电感)的谐振工作情况，从而实现对输出电压的调节。

如图5所示，所述充电模组还包括复数个驱动电路，所述控制器通过所述驱动电路用于驱动AC/DC电路以及DC/DC电路，每个驱动电路包括隔离模块、驱动模块以及电阻模块，所述隔离模块、驱动模块以及电阻模块依次连接，所述驱动模块的正驱动电压为18V至22V，所述驱动模块的负驱动电压为-2.5V至-4.5V，所述电阻模块的开通电阻为2欧姆至8欧姆，所述电阻模块的关断电阻小于或等于开通电阻，所述隔离模块的CMTI大于或等于25kV/us；其中一个驱动电路用来驱动一个碳化硅MOSFET，采用驱动电路中的电阻模块连接到碳化硅MOSFET的栅极。

如图6和图7所示，驱动单元中的开关器件既可以基于MOSFET的图腾柱驱动结构，也可以为基于三极管图腾柱驱动结构，以及基于图腾柱驱动结构扩展出的其他驱动结构，其两端分别与正向驱动电压VDD以及负向驱动电压VSS连接；

电阻单元既可以为一个电阻方案(即开通电阻等于关断电阻，如图8所示)，也可以采用一个二极管与电阻串联的支路与另一个电阻并联的方案(这个方案可调节开通电阻和关断电阻的大小，如图9所示)，还可选用开通、关断驱动通路相互独立的驱动芯片，分别在对应的驱动通路上放置相应的开通、关断电阻的方案(如图10所示)。

其中隔离模块主要实现控制信号部分与功率部分之间的隔离，避免功率器件的开通关断产生的噪声对控制信号产生影响；驱动模块由驱动信号进行控制，当控制碳化硅MOSFET导通时，驱动模块把正向驱动电压通过电阻模块施加到碳化硅MOSFET的栅-源极上，实现碳化硅MOSFET的导通；同理，当控制碳化硅MOSFET关断时，驱动模块把负向驱动信号通过电阻模块施加到碳化硅MOSFET的栅-源极上，实现碳化硅MOSFET的关断。而通过改变电阻模块中开通、关断驱动电阻的阻值，可调节碳化硅MOSFET的开通和关断速度。

采用软开关技术，碳化硅MOSFET开通前，其体二极管(body diode)会提前导通，碳化硅MOSFET的漏-源极流过反向电流，在其反相电流降为零之前，给碳化硅MOSFET的栅-源极施加驱动信号，可使碳化硅MOSFET实现零电压开通，此措施可大幅降低器件的开通损耗。此外，在器件即将关断时，通过合理的控制把碳化硅MOSFET的漏-源极电流降低至变压器的励磁电流，此后器件在该励磁电流下实现关断。由于变压器励磁电流远小于整个开关周期中碳化硅MOSFET中流过电流的峰值(为峰值电流的1/4内)，故器件关断时的关断损耗也较小。通过对碳化硅MOSFET开通过程和关断过程的优化，可实现碳化硅MOSFET在电源模块中实现较低的开关损耗，有效提高了充电桩的效率。

前级AC/DC变换器，后级DC/DC变换器。在实际工作中，前级AC/DC变换器的母线电压并不是一横不变的，而是随着后级DC/DC变换器的输出电压的变换，在650V～850V之间实现动态变化(所述动态变化为同增、同减或者母线电压随着输出电压区间跃变)，在输出电压较低时降低直流母线电压，在输出电压较高时升高母线电压，通过系统直流母线电压跟随系统输出电压动态变化的策略，可使后级DC/DC变换器保持较优的工作点，使后级DC/DC变换器的碳化硅MOSFET在大部分工况中可实现软开关，提高了系统的效率。

隔离模块的共模电压抑制比：

由于碳化硅MOSFET具有较高的开关速度，其在开关过程中的电压变化率dv/dt和电流变化率di/dt相比于硅的MOSFET和IGBT也较大，因此对驱动电路所耐受的共模电压变化率(Common Mode Transient Immunity,CMTI)也提出了更为苛刻的要求。通过测试，使用CMTI大于等于25kV/us的隔离驱动方案可大幅度减轻系统的驱动信号受到共模电压的影响，提高系统的可靠性。

由于碳化硅MOSFET对驱动电压的要求相比硅的MOSFET和IGBT而言更苛刻，通常在+25V～-10V之间，在开关过程中碳化硅MOSFET的栅-源极之间的正向电压尖峰过高或负向电压尖峰过低都有导致碳化硅MOSFET的栅-源极被击穿。因此，在碳化硅MOSFET的应用中，经过反复试验，我们最终把碳化硅MOSFET的正驱动电压设置为18～22V之间，保证了碳化硅MOSFET的完全导通，负驱动电压设置为-2.5～-4.5V之间，保证了碳化硅MOSFET的可靠关断。此外，合适的驱动电阻选型还可有效降低系统的开关损耗以及系统的可靠性，同样经过反复测试，我们在应用碳化硅MOSFET时，选取的驱动电阻为在2～8欧姆之间，即可保证碳化硅MOSFET较低的开关损耗，又可有效改善器件的可靠性。我们还通过采取开通电阻和关断电阻的分离，通过选取合适的开通和关断电阻，进一步优化碳化硅MOSFET的开关特性。

相比较采用硅IGBT作为主功率器件的直流充电模块，相同的规格的SiC MOSFET的开关频率是硅IGBT的5倍以上，同时具备更优良的反向恢复特性；因此，采用SiC MOSFET的充电模块，主功率变压器、滤波电感等的体积可以减小60％以上，可以大幅降低变压器及电感的体积及重量，同时降低成本；另外，SiC MOSFET及SiC二极管优良的方向恢复特性，还能有效抑制模块的高频噪声，降低对EMC电感及电容的依赖；

相比较采用硅COMS作为主功率器件的直流充电模块，相同电流规格的SiC MOSFET的耐压等级为1200V，而CMOS只能到650V，即一颗SiCMOSFET相当于两颗CMOS串联，可直接采用更加成熟稳定的两电平拓扑结构，大大降低了电路拓扑结构的复杂程度及成本管控风险。

虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本实用新型的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本实用新型的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本实用新型的权利要求所保护的范围内。