用多技术方法优化 SMPS 效率

开关电源 (SMPS) 的效率和稳健性使之特别适合用于诸如电动汽车 (EV) 充电桩、太阳能逆变器和工业电机驱动器之类应用。然而，由于需要更高的工作电压和电流、更低的传导和热损耗以及更紧凑的外形，设计人员必须采用先进的碳化硅 (SiC) MOSFET 技术。这项技术必须仔细地与 MOS 门控晶闸管和快速恢复桥式整流器结合，才能打造出最佳的电源转换系统。

本文以电动汽车充电桩为例，概述了 SMPS 的要求。然后介绍了 IXYS/Littelfuse 的 SiC MOSFET，考察了它们的性能，并展示如何将不同的器件技术（每种技术都针对特定的电路功能进行了优化）结合在一起，打造出更高效、更紧凑的电源转换系统。

以快速公共电动汽车充电桩为例概述现代 SMPS

效率是 SMPS 的标志性特征，但现代大功率应用正将这些设计推向新的极端。考虑公共直流 (DC) 快速充电桩的要求，例如功率高达 350 kW 的 3 级系统。1 % 的效率损失相当于浪费 3.5 千瓦的功率，大大增加了运行成本和热负载。

高性能 SiC MOSFET 是实现更高效率的核心。它们能够在保持低导通电阻的同时进行高频开关，从而允许使用更小的无源器件，并降低转换损耗。遗憾的是，这些因素也使得 SiC MOSFET 容易受到瞬态电压浪涌的影响。因此，高效率设计通常需要更先进的保护方案。

此外，SiC MOSFET 并非 3 级充电桩每个部分的最佳解决方案。例如，公共充电桩需要一个辅助电源系统，用于冷却剂泵、网络通信和其他系统功能。即使主充电路径中断，这些系统也必须保持运行。在这种情况下，高可靠性硅 (Si) 二极管设备可能是更好的选择。

必须了解直流快速充电站各部分的要求，并谨慎选择合适的设备技术。

使用低电阻 SiC MOSFET 实现大功率 DC-DC 转换

3 级快速充电桩的 DC-DC 转换级展示了现代 SMPS 设计所面临的挑战。由于输出电压高达 1 千伏 (kV)，这一级传统上需要使用高压硅绝缘栅双极晶体管 (IGBT)，或使用高压碳化硅 MOSFET。这两种方法都会带来效率损失：IGBT 的开关损耗高，而某些早期的 SiC MOSFET 的传导损耗则相对较高。例如，一些早期高压 SiC MOSFET 的导通电阻 (R_DS(ON)) 约为 100 mΩ。

Littelfuse IXSJxxN120R1 SiC MOSFET 系列为这一难题提供了令人信服的解决方案。该系列产品具有高至 1200 伏的阻断电压和低至 18 mΩ 的 R_DS(ON)。这种低阻特性可最大限度地减少传导损耗，并实现卓越的热性能。

这些器件采用隔离式陶瓷封装，隔离电压能力为 2,500 V_AC（1 分钟）。这种设计降低了结至散热器的热阻，并通过最大限度地减少散热器的杂散电容降低了电磁干扰 (EMI)，同时采用熟悉的 TO-247-3L 封装，方便了集成。

IXSJ43N120R1 就是一个典型的实例（图 1）。该器件在 +25°C 时的额定连续漏极电流 I_D 为 45 A，R_DS(ON) 为 36 mΩ（典型值）。它还具有 79 nC 的低栅极电荷和 2453 pF 的输入电容，适合采用较小磁体的设计。

图 1：IXSJ43N120R1 1,200 V SiC MOSFET 采用隔离式 TO-247-3L 封装，在 +25°C 时的额定连续漏极电流 I_D 为 45 A，R_DS(ON) 为 36 mΩ（典型值）。（图片来源：Littelfuse）

IXSJxxN120R1 系列在保持高压阻断能力的同时降低了传导损耗，能够让设计人员简化转换器拓扑结构、减少热开销并最大限度地提高整体系统效率。

将有源前端性能中的开关损耗降至最低

在直流快速充电桩的其他部分，开关损耗可能比导通电阻更为重要。有源前端将交流电转换为直流电，同时对电流波形进行整形，以满足功率因数校正 (PFC) 和谐波失真的要求。由于这一阶段依靠较高的开关频率来尽量减小电感器和滤波器的尺寸，因此开关损耗在整体效率中起着重要作用。

Littelfuse 的 LSIC1MO120E SiC MOSFET 系列针对这些高频应用进行了优化。这些器件集 1200 伏阻断能力和低动态损耗于一身，非常适合用于直流快速充电桩和其他并网系统中的 PFC 升压转换器。

例如，LSIC1MO120E0080（图 2）在 +25°C 时的额定连续漏极电流 (I_I) 为 39 A，R_(DSON) 为 80 mΩ（典型值），每个周期的开关能量为 252 µJ。扩展结温范围为 -55°C 至 +175°C，为环境条件变化较大的室外安装提供了额外的设计余量。

图 2：LSIC1MO120E0080 SiC MOSFET 针对高频应用进行了优化。（图片来源：Littelfuse）

LSIC1MO120E 系列采用非隔离式 TO-247-3 封装。通过在前端配套采用经开关损耗优化的 LSIC1MO120E，在 DC/DC 级采用经传导损耗优化的 IXSJxxN120R1，设计人员可以优化整个快速充电功率链的效率。

采用 MOS 门控晶闸管的高级电路保护技术

为确保可靠运行，直流快速充电系统必须能够承受电网引起的浪涌以及故障时直流链路的突然能量释放。撬棍式保护器通常用于保护敏感系统免受这些危险因素影响，但随着功率等级的提高，这些保护系统需要更高的电流处理能力和更快的响应时间。像采用 24-SMPD 封装的 MMIX1H60N150V1 这样的 MOS 门控晶闸管（图 3）就非常适合这些要求。

图 3：MMIX1H60N150V1 MOS 门控晶闸管采用 24-SMPD 封装。（图片来源：IXYS/Littelfuse）

直流充电桩撬杠电路有三个突出特性：

• 高浪涌能力：该器件在 1 微秒 (µs) 和 10 µs 时的额定电流分别为 32 千安 (kA) 和 11.8 千安，能够吸收严重的干扰，而不会影响下游的 SiC MOSFET 级。
• 快速触发特性：50 纳秒 (ns) 的延迟时间和 100 ns 的电流上升时间可在过压事件传播到转换器之前对其进行快速箝位。
• 集成反并联二极管：该特性允许设备处理双向故障电流，是防止直流链路干扰的重要保障。

这些特性使 MMIX1H60N150V1 成为保护大功率直流快速充电系统的可靠选择。

利用桥式整流器保障系统可用性和辅助电源

除主电源路径外，公共直流快速充电桩还需要为冷却泵、支付终端、显示屏和通信链路等系统提供辅助电源。VBE60-06A 桥式整流器（图 4）旨在为这些关键功能提供所需的高可用性。

图 4：VBE60-06A 桥式整流器带有方便安装的螺孔。（图片来源：IXYS/Littelfuse）

VBE60-06A 采用高性能快速恢复二极管 (HiPerFRED) 技术，兼具低导通损耗和软反向恢复特性。这三个特别的属性尤其有助于其在要求苛刻的基础设施应用中使用：

• 功率容量大：该设备具有 600 伏反向闭锁电压和 60 A 桥式输出电流，为必须在宽温度范围内连续运行的户外设备提供了充足的降额余量。
• 低 EMI：反向恢复时间仅为 35 ns，结合软恢复特性，最大限度地降低了开关损耗，减少了可能导致 EMI 的高频辐射。在集成了敏感通信和控制电子设备的系统中，最大限度地减少电磁干扰至关重要。
• 稳健运行：整流器通过了雪崩认证，在瞬态条件下性能可靠。其行业标准 SOT-227B 小型块式封装可提供 3000 伏隔离电压，提高了系统安全性，并简化了与高压组件的集成。

VBE60-06A 可为辅助子系统提供可靠、电磁辐射小的整流电源，从而支持对公共充电网络至关重要的正常运行时间和可用性目标。

为 SMPS 应用设计完整的系统解决方案

上面谈到的针对电动汽车快速充电桩的系统级设计原则直接适用于其他要求苛刻 SMPS 的应用。例如，在太阳能逆变器中，能量收集的最大化取决于最大功率点跟踪 (MPPT) 和逆变器级中传导和开关损耗的最小化。配合使用合适的 SiC MOSFET 可以实现这两个目标，而采用 MOS 门控晶闸管的强大浪涌保护功能则可以保障系统的使用寿命和正常运行时间。

工业电机驱动器也面临着类似的挑战。高频开关可实现精确的电机控制，同时减少振动，但也会增加热应力。低损耗 SiC MOSFET 可帮助控制这些需求，提高效率并降低运营成本。与此同时，在电气环境恶劣的工业环境中，需要 MOS 门控晶闸管提供快速响应的大电流保护，以确保连续工业运行所需的可靠性。

此外，太阳能逆变器和工业电机驱动器都要为控制、监控和其他关键系统提供辅助电源。这些功能需要可靠、电磁辐射小的电源，而整流器具有强大的额定功率、软恢复和低电磁干扰特性，可以满足这些要求。

最后，本文介绍的所有解决方案都具有宽工作温度范围，至少从 -40°C 到 +150°C，有些设备甚至支持更极端的温度。宽工作温度范围可确保设备在部署电动汽车充电桩和其他 SMPS 系统的恶劣环境中保持可靠性。

结语

设计可靠、高效的直流快速充电桩需要各种高性能设备。从开关效率、传导损耗到长期可靠性，每个功能模块都对元件提出了自己的要求。Littelfuse 通过涵盖开关、整流和保护的产品组合满足了这些不同的需求，从而能够让工程师组装出完整的系统级解决方案。这些优势可以扩展到整个 SMPS 应用，为设计人员提供了工具，以满足不同市场的苛刻要求。