AFE拓扑的应用优势

针对任何应用领域的工程师都加入了他们对效率、功率密度和成本的担忧。而且，即使他们还没有用它进行设计，他们也意识到解决方案可能在于碳化硅（SiC）技术。

本文解决了这些问题，并通过并排比较，证明碳化硅（SiC）是迄今为止高功率应用中比硅（Si）基器件更好的选择。该演示使用UPS和充电器系统的重要组成部分，即有源前端（AFE），以探索尺寸和功率密度，功率损耗和效率以及物料清单（BOM）成本的改进。

因此，本文旨在将SiC优势的一般认识转化为更清晰的理解，通过根深蒂固的低效率技术为基于SiC的设计体验扫清道路。

广泛的挑战

AFE设计中的挑战可以广泛地表示为工程师想要的更改的愿望清单：

降低半导体器件中的开关和传导损耗

更小、更轻的冷却系统

更小、更轻的无源器件—电容器和电感器

所有这些都降低了运营成本和BOM成本

任何同时解决所有这些挑战的技术确实都会对产品竞争力和环境产生重大影响。

为什么选择碳化硅？

碳化硅使工程师能够根据材料和由此产生的器件特性检查上面列表中的项目。

与传统的Si技术相比，SiC器件的导通电压降比Si低2-3倍，从而降低了SiC开关中的传导损耗。由于SiC器件是大多数载波，因此它们提供比Si更高的边沿速率（di/dt）。其击穿场比Si高10倍，使SiC器件能够在同一封装中承受更高的电压。

与Si的1.5 W/cmK相比，3.3-4.5 W/cmK的导热系数更高，使SiC器件能够更快地传导热量，有助于降低系统中的冷却要求。此外，SiC芯片温度可以达到250-300°C（而Si为125°C），Wolfspeed器件中的结温可以高达175°C，然后才能影响可靠性。这意味着设备可以运行得更热，并且冷却装置更小。

与硅版本相比，沃氏的碳化硅功率模块具有以下优势：

它们以应用为目标，提供具有各种电压和电流额定值、外形尺寸的模块选择，以及开关和传导优化

与IGBT模块相比，它们具有更低的RDS（ON）

它们提供更快的开关速度

它们具有较低的开关损耗

AFE拓扑的应用优势:

AFE适用于几乎所有并网转换器。图显示了当今新兴市场中两种突出的拓扑结构。双转换UPS架构包括一个AFE或整流器、一个DC/DC转换器和一个逆变器。在正常功率流中，一小电流进入DC/DC转换器，以保持电池充电。大部分电力通过直流链路发送到逆变器，在那里它为负载供电。

在电源故障下，AFE停止开关，DC/DC转换器将电源从电池发送到逆变器以馈送负载。一些应用可能还使用电池来补偿较差的负载或电网侧电源质量。

在板外直流快速充电器中，AFE将转换器连接到电网。它将电网电压整流为稳定的直流母线电压，然后可用于为电池充电。板外充电器拓扑结构更简单，AFE直接与DC-DC转换器连接，可快速为EV充电。

更小、更轻的冷却系统

SiC技术允许的高MOSFET结温以及XM3的低损耗对冷却要求有直接影响。

每个模块的损耗为1.11 kW，每个EconoDUAL都需要安装在一个大散热器上，每个散热器上各有一个推杆和拉风扇，以实现足够的气流，从而提高冷却效率。冷却系统容积为6.4 L/模块。

鉴于损耗降低了40%，XM3需要一个更小的散热器和一个风扇来实现相同的结果（40°C）。冷却系统容积仅为3.7 L。

冷却系统体积减少42%的同时，还有另一个优势—AFE系统散热解决方案成本降低70%。

对被动因素的影响

通过将开关频率从8 kHz提高到25 kHz提高三倍，基于SiC的AFE需要更小的无源器件

如前所述，所需的电感也可以降低三倍，从IGBT设计的100μH降低到30μH。由此产生的物理尺寸减少约37%。此外，电感器中的I2R损耗也降低了近20%。

对于AFE示例所需的功率水平，XM3设计中磁性元件（包括磁芯和铜绕组）的成本比基于IGBT的AFE低75%。

由于开关频率增加，对所需直流链路电容的影响是相似的。对于IGBT变体，需要1800μF，而基于SiC MOSFET的设计只需要550μF电容。图6中的并排比较表明所需电容的体积减少了54%。

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审核编辑：彭静