為何在新一代雙向OBC設(shè)計(jì)中選擇SiC而非Si ?

硅 （Si） 基功率器件由于其技術(shù)的成熟性和相對(duì)容易的可獲性，長期占據(jù)著電力電子行業(yè)的主導(dǎo)地位。然而，碳化硅 （SiC） 器件因其先天的巨大優(yōu)勢能夠很好地契合當(dāng)前的工業(yè)趨勢，正在獲得越來越多的采用。

這種寬禁帶 （WBG） 半導(dǎo)體器件不僅能夠提供比其 Si 同類器件大得多的功率密度，還能提供更好的導(dǎo)熱性及更高的功率轉(zhuǎn)換效率。而這些特性對(duì)于要求高度節(jié)能和快速充電的電池相關(guān)應(yīng)用而言，都是特別重要的。

本文介紹了車載充電機(jī) （OBC） 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，以及 SiC 在 OBC 應(yīng)用中相比 Si 的優(yōu)勢，且重點(diǎn)關(guān)注雙向充電機(jī)。Si 基和 SiC 基 OBC 的參考設(shè)計(jì)比較，詳細(xì)地說明了在 OBC 應(yīng)用中 SiC 相比 Si 的實(shí)際優(yōu)勢，同時(shí)還進(jìn)行了成本節(jié)約分析，并介紹了其為系統(tǒng)帶來的具體好處。

為什么選擇 SiC？

SiC 已經(jīng)滲透到眾多電力電子應(yīng)用領(lǐng)域，包括電源、太陽能逆變器、其他可再生能源的功率轉(zhuǎn)換以及工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的逆變器等。結(jié)合其在臨界電場 （2.2 × 10^6 V/cm）、電子速度、熔點(diǎn) （300°C） 和熱導(dǎo)率 （4.9 W/cmK） 等方面獨(dú)特的優(yōu)勢，SiC 適用于從低功率器件到大功率系統(tǒng)的多種應(yīng)用。

在晶體管級(jí)別，采用 SiC 可以帶來低導(dǎo)通電阻 （R（DS）on），減少導(dǎo)通損耗，進(jìn)而可用于高電流應(yīng)用。與 Si 基 IGBT 相比，SiC 器件電容更低，高開關(guān)頻率下的開關(guān)損耗更少，且濾波器和被動(dòng)元件的尺寸更小，同時(shí)整體熱管理系統(tǒng)也更為簡單。

Wolfspeed 專長 SiC 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)，覆蓋從基礎(chǔ)晶圓開發(fā)到采用 SiC 器件的設(shè)計(jì)和支持。表 1 詳細(xì)說明了 SiC 的優(yōu)點(diǎn)，以及 Wolfspeed 在 SiC 領(lǐng)域的專長能夠帶來的綜合優(yōu)勢。

表1

這些令人滿意的特性推動(dòng)了 SiC 基 AC/DC 和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器在低功率到高功率電動(dòng)車的采用。特別是在電動(dòng)自行車、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 （HEV）、插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 （PHEV） 和各種純電動(dòng)汽車 （BEV）（包括通勤汽車和商用卡車）中使用的 OBC，以及功率超過 3.3 kW、可為電動(dòng)汽車電池快速充電的更高功率 OBC 系統(tǒng)。

這樣做的好處包括，簡化充電過程，并使這項(xiàng)技術(shù)更易被習(xí)慣原有內(nèi)燃機(jī)車的消費(fèi)者所接受（通過降低里程焦慮的負(fù)面影響）。

基于這些原因，充電時(shí)間和充電后的有效車輛續(xù)航里程成為車輛制造商的關(guān)鍵參數(shù)，而這兩個(gè)因素由電池尺寸和額定充電功率所決定。充電功率范圍從 3.3 kW 和 6.6 kW 的低功率單相系統(tǒng)到 11 kW 和 22 kW 的大功率系統(tǒng)。圖 1 展示了 3.3 kW、6.6 kW、11 kW 和 22 kW OBC 相關(guān)的典型車型、電池尺寸、從 0% 至 100% 的充電時(shí)間以及競爭性技術(shù)。

圖 1. OBC 相關(guān)的車型、電池尺寸、從 0% 至 100% 的充電時(shí)間和競爭性技術(shù)的比較

車型涵蓋從通勤汽車 BEV 到類似電動(dòng)卡車等更大型且更高性能的 BEV。如圖所示，即使充電功率高 3 倍多，更大容量的車輛從 0% 到 100% 的充電時(shí)間仍更長。這使得 OBC 尤其適合大功率系統(tǒng)，也就是說，可以使得損耗的功率更少，充電速度也更快。

除了 OBC 效率之外，成本、重量和尺寸等參數(shù)也非常關(guān)鍵，這可為空間余量有限的車輛更輕松地安裝更小型、更輕量的 OBC。此外，消費(fèi)者和 OEM 承擔(dān)的 OBC 成本將直接影響制造商的資本支出/最終贏利，以及消費(fèi)者購買的意愿。為了保持競爭力，OBC 必須幫助電動(dòng)汽車達(dá)到內(nèi)燃機(jī)車輛的價(jià)格點(diǎn)。

22kW 雙向 OBC 設(shè)計(jì)：Si 與 SiC 設(shè)計(jì)樣本對(duì)比雙向功率流的好處

正如我們先前在單向 OBC 設(shè)計(jì)方案 （LINK） 中所述，由于可以忽略二極管的損耗，雙向充電機(jī)在先天上就可以實(shí)現(xiàn)比單向設(shè)計(jì)更高的效率。單向DC/DC模塊采用 Vienna PFC 二極管，而單向 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器可通過二極管橋完成輸出整流。

圖 2 展示的是單相雙向 OBC 的典型框架 — 全橋整流器被低損耗 SiC MOSFET 所取代，從而消除整流二極管正向壓降造成的損耗。這反過來可以降低功耗，從而簡化熱管理要求。

圖 2. SiC 基雙向 OBC

亞太地區(qū)正在引領(lǐng)電動(dòng)汽車的雙向充電發(fā)展，同時(shí)全球總體趨勢也是在朝著采用雙向 OBC 邁進(jìn)。憑借更高的系統(tǒng)效率，以及用于 V2-其他應(yīng)用的潛力，包括車輛對(duì)家宅 （V2H， vehicle-to-home） 供電、車網(wǎng)互聯(lián) （V2G， vehicle-to-grid） 的機(jī)會(huì)，以及車輛對(duì)車輛 （V2V， vehicle-to-vehicle） 充電使用案例（例如應(yīng)急啟動(dòng)另一輛電動(dòng)汽車）。

22 kW 雙向 OBC：Si vs. SiC

如前面圖 1 所示，采用 Si 超結(jié)技術(shù)的 Si 基雙向 OBC 與 Si 基 IGBT 是 SiC 雙向 OBC 的主要競爭技術(shù)。但是，本段內(nèi)容將說明 SiC 如何在所有相關(guān)方面（成本、尺寸、重量、功率密度、效率）超越這些技術(shù)。讓我們從圖 3 開始，這是 Si 基和 SiC 基 22 kW 雙向 OBC 的參考示意圖，比較了功率器件和柵極驅(qū)動(dòng)的數(shù)量。

圖 3. （a） Si 基和 （b） SiC 基 22 kW 雙向 OBC 示意圖

表 2 列出了（第一個(gè)）AC/DC 圖騰柱 PFC 級(jí)和（第二個(gè)） DC/DC 雙向 CLLC 諧振級(jí)的各自規(guī)格。從圖表中可以明顯看出，從 Si 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)到 SiC 設(shè)計(jì)，功率器件和柵極驅(qū)動(dòng)的數(shù)量都減少 30% 以上，開關(guān)頻率提高一倍以上。這降低了功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的組件尺寸、重量和成本，同時(shí)提高運(yùn)行效率。

表 2. 22kW 雙向 OBC： Si vs SiC

圖 4 進(jìn)一步細(xì)分成本節(jié)約，將其分為 Si 和 SiC 系統(tǒng)的成本。Si 系統(tǒng)比 SiC 系統(tǒng)高出近 20% — 這主要是由于 DC/DC 模塊中有相對(duì)大量的柵極驅(qū)動(dòng)和磁性元件。盡管相比單個(gè) Si 基二極管和功率晶體管，分立式 SiC 基功率器件的成本更高。但在系統(tǒng)中采用時(shí)，SiC 器件的性能可減少所需元件的數(shù)量，從而降低電路元件成本以滿足支持各種功率器件功能的要求。

圖 4. 采用 SiC 與 Si 的 22kW 雙向 OBC 系統(tǒng)成本明細(xì)比較

除了成本節(jié)約之外，SiC 系統(tǒng)在 3 kW/L 的功率密度下可實(shí)現(xiàn) 97% 的峰值系統(tǒng)效率，而 Si OBC 僅可在 2 kW/L 的功率密度下實(shí)現(xiàn) 95% 的效率。這一系統(tǒng)效率的提升可為消費(fèi)者帶來每年平均 40 美元的能源節(jié)約。

表 3 對(duì)比了 6.6 kW 和 22 kW 雙向 OBC 的 Si 和 SiC 方案的成本、功率密度、運(yùn)行節(jié)約和CO2 減排。OBC 的功率越高，所帶來的節(jié)約也就越多。6.6 kW 和 22 kW 雙向 SiC 基 OBC 的物料清單 BOM 成本更低，最終可為 OEM 廠商帶來系統(tǒng)成本的降低。

再加上運(yùn)行節(jié)約以及由 SiC 所推動(dòng)的 CO2 減排，轉(zhuǎn)嫁到消費(fèi)者身上的成本也將減少，進(jìn)而縮小了與內(nèi)燃機(jī)解決方案的價(jià)格差距，并為CO2 減排做出貢獻(xiàn)。

表 3. SiC 系統(tǒng)優(yōu)勢

關(guān)于英文原稿，敬請(qǐng)點(diǎn)擊訪問：

https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/why-choose-sic-over-si-for-your-next-bidirectional-on-board-charger-design

編輯：jq