在單向車(chē)載充電器中使用碳化硅進(jìn)行設(shè)計(jì)

EV 車(chē)載充電器 （OBC） 使 EV 能夠在任何有交流電源的地方充電。根據(jù)功率水平和功能，它可以采取多種形式。充電功率從電動(dòng)滑板車(chē)等應(yīng)用中的不到 2 kW 到高端 EV 的 22 kW 不等。傳統(tǒng)上，充電功率是單向的。一個(gè)新的趨勢(shì)是在OBC中添加雙向功能，以便電動(dòng)汽車(chē)可以成為移動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)。本文將僅關(guān)注單向 OBC，并討論碳化硅 （SiC） 在 2 kW 以上高功率應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。

電網(wǎng)提供的交流電壓和電流對(duì) OBC 設(shè)計(jì)施加了限制。美國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)家用插座可提供高達(dá) 1.92 kW（120 VAC，15 A）的功率，而 208 或 240 VAC 美國(guó)分相系統(tǒng)可提供高達(dá) 19.2 kW 的功率，具體取決于分支斷路器的容量。歐盟的標(biāo)準(zhǔn)家用電壓為 230 VAC，并提供三相公用設(shè)施。

圖 1 顯示了低功耗、中功率和高功率 OBC 的典型用途。在印度和中國(guó)，低功率 OBC 在電動(dòng)自行車(chē)和低功耗電動(dòng)汽車(chē)中很受歡迎。目前，中等功率市場(chǎng)（2~7.4 kW）是歐美許多常見(jiàn)電池電動(dòng)汽車(chē)最流行的中功率OBC使用單相交流電，并為約400 V的電動(dòng)汽車(chē)電池充電，但隨著對(duì)長(zhǎng)續(xù)航的需求不斷增加，市場(chǎng)趨向于800 V電池，具有11 kW和22 kW更高功率的三相OBC;在給定的功率水平下，它們提供更快的充電時(shí)間和更低的電流。

無(wú)論電網(wǎng)功率如何，AC-DC OBC 中的主要構(gòu)建模塊都是功率因數(shù)校正 （PFC） 模塊和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。主要的設(shè)計(jì)權(quán)衡是在功率密度、效率和成本之間。本文分解了每個(gè)功率級(jí)別，并討論了每個(gè)類(lèi)別的器件選擇。碳化硅MOSFET和二極管可以提供比硅器件更好的效率和功率密度。SiC 的主要機(jī)會(huì)在于中高功率 （>3 kW） OBC。

低功耗 OBC 架構(gòu) （<2 kW）

在最低端市場(chǎng)，當(dāng)成本是最高優(yōu)先級(jí)時(shí)，硅（Si）MOSFET和二極管是首選，盡管與高功率應(yīng)用的SiC相比，它們具有缺點(diǎn)。圖2顯示了一個(gè)升壓PFC和一個(gè)半橋LLC轉(zhuǎn)換器;這種組合在低功耗成本敏感型 OBC 應(yīng)用中很受歡迎。通常，這種架構(gòu)從單相60 V/120 VAC電源提供相對(duì)低壓的電池（<240 V），可實(shí)現(xiàn)~93%的峰值系統(tǒng)效率。

圖 2：用于 2 kW 以下低功耗設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)硅基 OBC 架構(gòu)

中等功率成本敏感型 OBC 架構(gòu) （3.3–7.4 kW）

對(duì)于中等功耗架構(gòu)，設(shè)計(jì)人員可以在成本敏感型和高效率選項(xiàng)之間進(jìn)行選擇。中等功率成本敏感型設(shè)計(jì)（圖 3）使用與以前相同的 PFC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但用全橋設(shè)計(jì)取代半橋 LLC DC/DC 轉(zhuǎn)換器，以支持 400V 電池。電池電壓越高，輸出整流器的功率損耗可以降低。因此，效率比上面討論的低功耗OBC有所提高，峰值效率為~94%。

圖 3：基于 Si 的 OBC 架構(gòu)，適用于對(duì)成本敏感的中等功率 3.3–7.4 kW

硅MOSFET仍將在低成本設(shè)計(jì)的有源開(kāi)關(guān)插座中占主導(dǎo)地位。在這種低成本設(shè)計(jì)中，SiC的主要機(jī)會(huì)是PFC中的SiC二極管，圖5中的D3位置。SiC 二極管的零反向恢復(fù)電流使 SiC 能夠取代 Si 快速二極管。

由于LLC的軟開(kāi)關(guān)拓?fù)洌敵鰝?cè)的600 V Si二極管就足夠了。在這種情況下，Vf比開(kāi)關(guān)性能更重要。

這種低成本設(shè)計(jì)的器件選擇如表1所示。

表 1：低成本 OBC 架構(gòu)的二極管選擇 （3.3–7.4 kW）

中等功率高效 OBC 架構(gòu) （3.3–7.4 kW）

傳統(tǒng)PFC中的二極管橋會(huì)浪費(fèi)功率，因此高效架構(gòu)將其替換為圖騰柱PFC。 圖騰柱PFC通過(guò)將傳導(dǎo)路徑中的半導(dǎo)體器件數(shù)量從三個(gè)減少到兩個(gè)來(lái)提高效率。圖騰柱PFC一直是許多理論研究的主題，但由于Si MOSFET體二極管的換向，Si MOSFET將其使用限制在臨界導(dǎo)通模式（CRM）操作和低功耗應(yīng)用中。SiC MOSFET 允許在連續(xù)導(dǎo)通模式 （CCM） 下工作，以實(shí)現(xiàn)高效率、低 EMI 和高功率密度。圖騰柱PFC現(xiàn)在在高效設(shè)計(jì)中被普遍接受，如圖4所示。

圖 4：使用 SiC 和圖騰柱 PFC 的高效 OBC 架構(gòu)

高效中等功率設(shè)計(jì)（圖 4）可實(shí)現(xiàn) >98.5% 的峰值 AC/DC 效率。整體系統(tǒng)峰值效率約為96%。

例如，對(duì)于 3.3 kW 設(shè)計(jì)，PFC 級(jí)可以使用 60 mΩ、650 V 碳化硅 MOSFET。DC/DC 側(cè)可以使用四個(gè)這樣的器件，輸出端有硅二極管。對(duì)于 6.6 kW 設(shè)計(jì)，可以在 PFC 級(jí)中并聯(lián)使用兩對(duì) 60 mΩ、650 V SiC MOSFET，或一對(duì) 25 mΩ 器件。

表2總結(jié)了這種高效設(shè)計(jì)的器件選擇。

表 2：高效 OBC 架構(gòu)的 MOSFET 選擇 （3.3–7.4 kW）

更高功率的 OBC 設(shè)計(jì)

在更高的功率水平（例如11 kW或22 kW）下，電池電壓可以是400 V或800 V，但如前所述，市場(chǎng)正朝著800 V的方向發(fā)展，從高性能車(chē)輛開(kāi)始。

大功率設(shè)計(jì)采用三相電源;PFC 和 DC/DC 級(jí)的效率均為 >98%，總體效率為 ~96% 至 97%。通過(guò)并聯(lián)組合三種單相 11.400 kW 設(shè)計(jì)，可以為 3 V 總線(xiàn)產(chǎn)生 7 kW OBC;功率密度將比從頭開(kāi)始的方法更低，成本也會(huì)更高，但重用現(xiàn)有設(shè)計(jì)可能會(huì)縮短上市時(shí)間。在800 V總線(xiàn)下采用優(yōu)化的三相設(shè)計(jì)將獲得最佳結(jié)果，如圖5所示的架構(gòu)。維也納整流器因其高效率、CCM 操作、三電平開(kāi)關(guān)和降低功率器件上的電壓應(yīng)力而成為三相功率校正的熱門(mén)選擇。

圖 5：采用 11V 總線(xiàn)的三相 800 kW 設(shè)計(jì)的維也納 PFC + LLC 架構(gòu)

在全碳化硅設(shè)計(jì)中，11 kW 維也納整流器使用 3 個(gè) E0060065M4K 碳化硅 MOSFET 和 20120 個(gè) E1D200H 二極管。二極管是 650，400 V 器件;MOSFET 可以是 <> V 器件，因?yàn)橛捎?Vienna 整流器的三電平開(kāi)關(guān)，它們只能看到總線(xiàn)電壓的一半 （<> V）。

全橋LLC在輸出端使用四個(gè)1，200 V SiC MOSFET和四個(gè)1，200 V SiC二極管。800 V 總線(xiàn)需要 1，200 V SiC MOSFET，頻率為 75 mΩ 或 40 mΩ RDS（on）;1，200 V Si MOSFET在此應(yīng)用中沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力，SiC輸出二極管由于其更低的壓降和更好的開(kāi)關(guān)性能而優(yōu)于相應(yīng)的Si器件。

對(duì)于 22 kW OBC，可以使用三個(gè)并聯(lián)的 7.4 kW OBC，但同樣，基于帶有 SiC MOSFET 和 SiC 二極管的維也納整流器的解決方案是更好的方法。該設(shè)計(jì)與圖11中的5 kW OBC設(shè)計(jì)類(lèi)似，但更高的功率輸出需要在PFC和DCDC中安裝25個(gè)較低R的DS（on）MOSFET（<> mΩ RDS（on））和<>個(gè)更高額定電流的SiC二極管。

大功率三相設(shè)計(jì)的器件選擇如表3所示。

表 3：11 至 22kW OBC 的 MOSFET 和二極管選擇

摘要：碳化硅與硅的應(yīng)用

在 OBC 中，SiC 在效率和功率密度方面提供的性能比 Si 器件好得多。OBC 設(shè)計(jì)人員何時(shí)應(yīng)考慮使用 SiC 器件而不是 Si？下表提供了摘要。

關(guān)于沃爾夫速度碳化硅器件

Wolfspeed SiC MOSFET 通過(guò)提供低導(dǎo)通電阻、極低輸出電容和低源極電感的器件，實(shí)現(xiàn)低開(kāi)關(guān)損耗和低傳導(dǎo)損耗的完美結(jié)合，解決了許多電源設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。與硅基解決方案相比，Wolfspeed SiC 功率器件技術(shù)可實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)功率密度、更高的開(kāi)關(guān)頻率、更少的元件數(shù)量以及更小的元件尺寸，如電感器、電容器、濾波器和變壓器。

審核編輯：郭婷