电动汽车OBC分类及其大功率PFC技术分析

1.电动汽车简单分类

HEV  Hybrid Electric Vehicle 混合动力电动汽车

PHEV  Plug-in hybrid electric vehicle 插电式混合动力汽车

BEV  Battery Electric Vehicle 纯电动汽车

FCEV  Fuel Cell Electric Vehicle 燃料电池电动汽车

2. 电动汽车OBC分类及其大功率PFC技术分析

2.1 单相OBC技术

2.2 三相OBC技术

2.3 PFC 临界模式Vs连续模式

2.4 交错并联 PFC电路技术特点

2.5 基于碳化硅的无桥PFC拓扑

该方案由一个升压电感器、两个高频升压 SiC 开关（SiC1 和 SiC2）和两个用于在电路上传导电流的元件组成，线路可以是两个慢速二极管。（A）显示了两个硅MOSFET（Si1和Si2）。（B）表明，Si1和Si2的使用进一步提高了效率。

2.5.1 无桥PFC工作原理分析

3.OBC DC-DC变换器技术分析

3.1 LLC-SRC半桥变换器

3.2 LLC-SRC谐振单元

3.3 LLC拓扑增益函数

3.4 谐振型双向CLLLC电路

 

3.5 双向有源桥（Dual Active Bridge，DAB）

4.直流充电桩拓扑分析

4.1 20-30kW两电平LLC双向DC/DC变换器

下图显示具有双向流动设计和总共 12 个 SiC MOSFET 的两电平 LLC 电路示例，该电路可实现简单、灵活的控制，具有高效率和磁性元件小的特点。在这种用于直流快速充电的配置中，继电器可以针对 400 V 和 800 V 操作进行切换，满足低或高充电电流的需求。一个不足之处在于：LLC 设计通常具有一个狭窄的最佳应用点，需要谨慎设计谐振回路。

 

4.2 20-30kW两电平LLC级联双向DC/DC变换器

下图显示具有双向流动设计和总共 12 个 MOSFET 的两电平 LLC 级联电路示例，该电路支持从传统 Si 组件轻松过渡到 SiC（电压为 650 V）。尽管使用 SiC 器件可提升效率，但该结构也存在一些挑战。

4.3 20-30kW双有源桥（DAB）双向DC/DC变换器

5.宽禁带功率器件技术分析

5.1 SiC MOSFET研究进展

固体的能带理论

禁带宽带（Eg）：半导体的禁带宽度与晶格原子之间的化学键相关，更强的化学键意味着电子很难从一个位置跳跃到下一个位置，因此，较大的禁带宽度的半导体材料具有较低的本征泄漏电流和较高的工作温度。

临界击穿电场（Ecrit)：强的化学键会造成更大的禁宽带度，也会引起雪崩击穿时更高的临界击穿电场，器件击穿电压可以近似：VBR=1/2*Wdrift*Ecirt，因此器件的击穿电压与漂移区宽度成正比。

5.2 碳化硅 (SiC)器件特性分类及SiC MOSFET结构

5.2.1 SiC对比Si材料优势

5.2.2 节能及系统集成度推动电力电子应用的发展

5.2.3 SiC二极管种类

SiC功率二极管有4种类型：PiN 二极管、肖特基二极管(Schottky Barrier  Diode，SBD)，结势垒肖特基二极管(Junction Barrier Schottky Diode，JBS)和混合式PIN-肖特基二极管。

5.2.4 SiC二极管开关动态过程

5.2.5 平面SiC MOSFET的挑战

5.2.6 英飞凌的现代沟槽CoolSiC技术

5.2.7 一种典型分离栅的双槽 SiC MOSFET

5.2.8 典型的沟槽结构SiC MOSFET类型

这些结构核心就是在栅极沟槽底部或栅极沟槽底部附近区域，增加P型结构，形成耗尽层（空间电荷区），从而，把栅极沟槽底部氧化层电场，部分转移到耗尽层中，减小栅极沟槽底部的电场。 

6.英飞凌的CoolMOS CFD7A

高功率密度 → 更紧凑的设计CoolMOS CFD7A在硬开关和谐振开关拓扑中，尤其是轻负荷条件下具有较大改进，令效率更上一层楼。与之前几代产品相比，其在相同栅极损耗的水平下可实现更高的开关频率；而且这一产品组合极具前景，使CFD7A成为减少系统重量和空间以实现更紧凑设计的关键因素。

符合汽车寿命要求的出色可靠性由于宇宙辐射鲁棒性增强，CoolMOS CFD7A 技术能够应用更高的蓄电池电压，同时具有与前几代产品及其他市场产品相同的可靠性。

更高的设计灵活性和可扩展性得益于固有快速体二极管和广泛的产品组合，CFD7A器件可用于PFC和DC-DC级。

6.1 使用CoolMOS达到下个功率密度水平CFD7A系列

6.2 卓越技术确保CFD7A是市场上最具宇宙辐射鲁棒性器件

6.3 可以在不同尺寸上实现更高的功率密度

6.4 在相同的栅极损耗水平下可以支持更高的开关频率

6.5 在关键参数方面取得了相当大的性能改进

6.6 快速的体二极管增加额外可靠性，减少设计工作量

6.7 CFD7A的关键指标系数FOM

7. 一款典型OBC样机拆机分析

7.1总体方案

7.2主要功率半导体

7.3输入输出端口

编辑：黄飞