在单向车载充电器中使用碳化硅进行设计

EV 车载充电器 （OBC） 使 EV 能够在任何有交流电源的地方充电。根据功率水平和功能，它可以采取多种形式。充电功率从电动滑板车等应用中的不到 2 kW 到高端 EV 的 22 kW 不等。传统上，充电功率是单向的。一个新的趋势是在OBC中添加双向功能，以便电动汽车可以成为移动储能系统。本文将仅关注单向 OBC，并讨论碳化硅 （SiC） 在 2 kW 以上高功率应用中的优势。

电网提供的交流电压和电流对 OBC 设计施加了限制。美国的标准家用插座可提供高达 1.92 kW（120 VAC，15 A）的功率，而 208 或 240 VAC 美国分相系统可提供高达 19.2 kW 的功率，具体取决于分支断路器的容量。欧盟的标准家用电压为 230 VAC，并提供三相公用设施。

图 1 显示了低功耗、中功率和高功率 OBC 的典型用途。在印度和中国，低功率 OBC 在电动自行车和低功耗电动汽车中很受欢迎。目前，中等功率市场（2~7.4 kW）是欧美许多常见电池电动汽车最流行的中功率OBC使用单相交流电，并为约400 V的电动汽车电池充电，但随着对长续航的需求不断增加，市场趋向于800 V电池，具有11 kW和22 kW更高功率的三相OBC;在给定的功率水平下，它们提供更快的充电时间和更低的电流。

无论电网功率如何，AC-DC OBC 中的主要构建模块都是功率因数校正 （PFC） 模块和 DC/DC 转换器。主要的设计权衡是在功率密度、效率和成本之间。本文分解了每个功率级别，并讨论了每个类别的器件选择。碳化硅MOSFET和二极管可以提供比硅器件更好的效率和功率密度。SiC 的主要机会在于中高功率 （>3 kW） OBC。

低功耗 OBC 架构 （<2 kW）

在最低端市场，当成本是最高优先级时，硅（Si）MOSFET和二极管是首选，尽管与高功率应用的SiC相比，它们具有缺点。图2显示了一个升压PFC和一个半桥LLC转换器;这种组合在低功耗成本敏感型 OBC 应用中很受欢迎。通常，这种架构从单相60 V/120 VAC电源提供相对低压的电池（<240 V），可实现~93%的峰值系统效率。

图 2：用于 2 kW 以下低功耗设计的传统硅基 OBC 架构

中等功率成本敏感型 OBC 架构 （3.3–7.4 kW）

对于中等功耗架构，设计人员可以在成本敏感型和高效率选项之间进行选择。中等功率成本敏感型设计（图 3）使用与以前相同的 PFC 拓扑结构，但用全桥设计取代半桥 LLC DC/DC 转换器，以支持 400V 电池。电池电压越高，输出整流器的功率损耗可以降低。因此，效率比上面讨论的低功耗OBC有所提高，峰值效率为~94%。

图 3：基于 Si 的 OBC 架构，适用于对成本敏感的中等功率 3.3–7.4 kW

硅MOSFET仍将在低成本设计的有源开关插座中占主导地位。在这种低成本设计中，SiC的主要机会是PFC中的SiC二极管，图5中的D3位置。SiC 二极管的零反向恢复电流使 SiC 能够取代 Si 快速二极管。

由于LLC的软开关拓扑，输出侧的600 V Si二极管就足够了。在这种情况下，Vf比开关性能更重要。

这种低成本设计的器件选择如表1所示。

 

权力	碳化硅二极管额定电压	碳化硅二极管额定电流
3.3 千瓦	650 伏	10 A 或 16 A
6.6-7.4 千瓦	650 伏	20 A 或 30 A

 

表 1：低成本 OBC 架构的二极管选择 （3.3–7.4 kW）

中等功率高效 OBC 架构 （3.3–7.4 kW）

传统PFC中的二极管桥会浪费功率，因此高效架构将其替换为图腾柱PFC。 图腾柱PFC通过将传导路径中的半导体器件数量从三个减少到两个来提高效率。图腾柱PFC一直是许多理论研究的主题，但由于Si MOSFET体二极管的换向，Si MOSFET将其使用限制在临界导通模式（CRM）操作和低功耗应用中。SiC MOSFET 允许在连续导通模式 （CCM） 下工作，以实现高效率、低 EMI 和高功率密度。图腾柱PFC现在在高效设计中被普遍接受，如图4所示。

图 4：使用 SiC 和图腾柱 PFC 的高效 OBC 架构

高效中等功率设计（图 4）可实现 >98.5% 的峰值 AC/DC 效率。整体系统峰值效率约为96%。

例如，对于 3.3 kW 设计，PFC 级可以使用 60 mΩ、650 V 碳化硅 MOSFET。DC/DC 侧可以使用四个这样的器件，输出端有硅二极管。对于 6.6 kW 设计，可以在 PFC 级中并联使用两对 60 mΩ、650 V SiC MOSFET，或一对 25 mΩ 器件。

表2总结了这种高效设计的器件选择。

 

权力	碳化硅 MOSFET 额定电压	碳化硅 场效应管 PFC	碳化硅场效应管直流直流
3.3 千瓦	650 伏	60毫微电阻	60毫微电阻
6.6-7.4 千瓦	650 伏	2 x 60 mΩ 或 25 mΩ	60 mΩ 或 45 mΩ

 

表 2：高效 OBC 架构的 MOSFET 选择 （3.3–7.4 kW）

更高功率的 OBC 设计

在更高的功率水平（例如11 kW或22 kW）下，电池电压可以是400 V或800 V，但如前所述，市场正朝着800 V的方向发展，从高性能车辆开始。

大功率设计采用三相电源;PFC 和 DC/DC 级的效率均为 >98%，总体效率为 ~96% 至 97%。通过并联组合三种单相 11.400 kW 设计，可以为 3 V 总线产生 7 kW OBC;功率密度将比从头开始的方法更低，成本也会更高，但重用现有设计可能会缩短上市时间。在800 V总线下采用优化的三相设计将获得最佳结果，如图5所示的架构。维也纳整流器因其高效率、CCM 操作、三电平开关和降低功率器件上的电压应力而成为三相功率校正的热门选择。

图 5：采用 11V 总线的三相 800 kW 设计的维也纳 PFC + LLC 架构

在全碳化硅设计中，11 kW 维也纳整流器使用 3 个 E0060065M4K 碳化硅 MOSFET 和 20120 个 E1D200H 二极管。二极管是 650，400 V 器件;MOSFET 可以是 <> V 器件，因为由于 Vienna 整流器的三电平开关，它们只能看到总线电压的一半 （<> V）。

全桥LLC在输出端使用四个1，200 V SiC MOSFET和四个1，200 V SiC二极管。800 V 总线需要 1，200 V SiC MOSFET，频率为 75 mΩ 或 40 mΩ RDS（on）;1，200 V Si MOSFET在此应用中没有竞争力，SiC输出二极管由于其更低的压降和更好的开关性能而优于相应的Si器件。

对于 22 kW OBC，可以使用三个并联的 7.4 kW OBC，但同样，基于带有 SiC MOSFET 和 SiC 二极管的维也纳整流器的解决方案是更好的方法。该设计与图11中的5 kW OBC设计类似，但更高的功率输出需要在PFC和DCDC中安装25个较低R的DS（on）MOSFET（<> mΩ RDS（on））和<>个更高额定电流的SiC二极管。

大功率三相设计的器件选择如表3所示。

 

权力	碳化硅场效应晶体管 （650 V）	碳化硅场效应管直流直流 （1，200 V）	碳化硅二极管功率因数校正 （1，200 V）	碳化硅二极管直流直流 （1，200 V）
11 千瓦	60毫微电阻	75 mΩ 或 40 mΩ	15 A 或 20 A	15 A 或 20 A
22 千瓦	2 x 60 mΩ 或 25 mΩ	40 mΩ 或 32 mΩ	30 A 或 40 A	30 A 或 40 A

 

表 3：11 至 22kW OBC 的 MOSFET 和二极管选择

摘要：碳化硅与硅的应用

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 设计人员何时应考虑使用 SiC 器件而不是 Si？下表提供了摘要。

 

功率等级	评论
低功率 （< 2kW）	低成本至上：碳化硅没有竞争力
中等功率 （3.3–7.4 kW） 低成本设计	考虑PFC级中的碳化硅二极管
中等功率（3.3 kW < 7.4 kW）高效设计	考虑PFC和DCDC中的SiC二极管和MOSFET
高功率 （11 kW/22 kW）	与硅解决方案相比，1，200V 碳化硅 MOSFET 和二极管可提供更高的效率、更高的功率密度和更低的系统成本。 在输出侧，对于 400V 电池，650V 硅二极管可提供更高的效率和成本;对于 800 V 电池，应使用 1，200 V SiC 二极管，因为其 Vf 低于 Si 二极管。

 

关于沃尔夫速度碳化硅器件

Wolfspeed SiC MOSFET 通过提供低导通电阻、极低输出电容和低源极电感的器件，实现低开关损耗和低传导损耗的完美结合，解决了许多电源设计挑战。与硅基解决方案相比，Wolfspeed SiC 功率器件技术可实现更高的系统功率密度、更高的开关频率、更少的元件数量以及更小的元件尺寸，如电感器、电容器、滤波器和变压器。

审核编辑：郭婷