使用碳化硅進(jìn)行雙向車(chē)載充電機(jī)設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車(chē)（EV）車(chē)載充電機(jī)（OBC）可以根據(jù)功率水平和功能采取多種形式，充電功率從電動(dòng)機(jī)車(chē)等應(yīng)用中的不到 2 kW，到高端電動(dòng)汽車(chē)中的 22 kW 不等。傳統(tǒng)上，充電功率是單向的，但近年來(lái)，雙向充電越來(lái)越受到關(guān)注。本文將重點(diǎn)關(guān)注雙向 OBC，并討論碳化硅（SiC）在中功率（6.6 kW）和高功率（11 - 22 kW）OBC 中的優(yōu)勢(shì)。

#1 為什么要轉(zhuǎn)向采用雙向 OBC

隨著汽車(chē)世界朝著用更清潔的燃料替代品取代汽油的方向發(fā)展，電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)輸?shù)氖袌?chǎng)區(qū)塊正在經(jīng)歷快速增長(zhǎng)。隨著純電動(dòng)汽車(chē)的市場(chǎng)份額不斷增加，每輛車(chē)的電池裝機(jī)容量也在增加，消費(fèi)者還要求為大容量電池提供更快的充電時(shí)間。尤其是針對(duì)高性能的電動(dòng)汽車(chē)，這種需求也促使電池工作電壓從 400 V 增加到 800 V。

配備足夠電池容量的電動(dòng)汽車(chē)將有可能充當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各種車(chē)聯(lián)網(wǎng)（vehicle-to-everything, V2X）的充電用例，像是車(chē)輛到家庭發(fā)電、車(chē)輛到電網(wǎng)的應(yīng)用機(jī)會(huì)，或是進(jìn)行車(chē)輛到車(chē)輛充電。因此，OBC 正在從單向拓?fù)涞诫p向拓?fù)滢D(zhuǎn)變，采用雙向 OBC 提高系統(tǒng)效率是一種普遍趨勢(shì)。

圖 1：雙向 OBC 支持新型車(chē)聯(lián)網(wǎng)的使用案例

#2 雙向 OBC 系統(tǒng)模塊

電動(dòng)汽車(chē)的 OBC 設(shè)計(jì)需要高功率密度和最大化效率，以充分利用可用的電動(dòng)汽車(chē)空間并最小化重量。雙向 OBC 由一個(gè)雙向 AC/DC轉(zhuǎn)換器組成，通常是一個(gè)功率因數(shù)校正（PFC）或有源前端（AFE）電路，后面則跟著一個(gè)隔離的雙向 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。讓我們分別檢查這些模塊。

#3 PFC/AFE 模塊

在輸入端，傳統(tǒng)的 PFC 升壓轉(zhuǎn)換器是使用最廣泛的單相拓?fù)?，但它不支持雙向操作并且效率相對(duì)較低。圖騰柱 PFC 通過(guò)消除橋式整流器級(jí)來(lái)提高效率，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)。

圖 2：從升壓拓?fù)?(a) 更改為圖騰柱PFC (b) 可提高效率并允許雙向操作

圖騰柱 PFC 包含兩個(gè)以不同頻率工作的半橋，高頻橋臂進(jìn)行升壓、整流，以高頻率切換。低頻橋臂主要對(duì)輸入電壓進(jìn)行整流，在 50/60 Hz 的頻率下切換。

在歐洲的一些地區(qū)，三相電源可用于住宅公用事業(yè)，通?？梢允褂萌?6 開(kāi)關(guān) PFC/AFE 拓?fù)?，如圖 3 所示。

圖 3：雙向三相 6 開(kāi)關(guān) PFC 拓?fù)?/p>

還有其他類(lèi)型的三相 PFC，例如 T 型 PFC，它是一種三電平轉(zhuǎn)換器。三電平轉(zhuǎn)換器的好處是開(kāi)關(guān)損耗更低，電感器尺寸更小。然而，想要獲得這些好處，將會(huì)增加系統(tǒng)復(fù)雜性、更多的器件數(shù)量、更高的總成本和轉(zhuǎn)換器的總體尺寸。因此，圖 3 所示的基本二電平三相 PFC 轉(zhuǎn)換器，是三相雙向 OBC 最常用的拓?fù)洹?/p>

#4 DC/DC 轉(zhuǎn)換器模塊

單向 OBC 中的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器通常是 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器，但這是一種單向拓?fù)洌诜聪蚬ぷ髂Ｊ较?，轉(zhuǎn)換器的電壓增益受到限制，從而降低了其性能。因此，圖 4 中的雙向 CLLC 諧振轉(zhuǎn)換器更適合 DC/DC 級(jí)，因?yàn)樗诔潆姾头烹娔Ｊ较露冀Y(jié)合了高效率和寬輸出電壓范圍。

圖 4：雙向 CLLC DCDC 轉(zhuǎn)換器

在電動(dòng)汽車(chē) OBC 應(yīng)用中，CLLC 采用軟開(kāi)關(guān)來(lái)提高效率，采用初級(jí)側(cè)的零電壓開(kāi)通（ZVS），次級(jí)側(cè) ZVS + ZCS 開(kāi)關(guān)相結(jié)合。

另一種常見(jiàn)的雙向 DCDC 轉(zhuǎn)換器拓?fù)涫请p有源橋（DAB）。DAB 的操作非常簡(jiǎn)單，通過(guò)移相調(diào)節(jié)輸出。然而，它的 ZVS 范圍有限，并且由于 DAB 關(guān)斷電流高于 CLLC，因此其開(kāi)關(guān)損耗高于 CLLC。因此，總的來(lái)說(shuō)，DAB 的效率低于 CLLC。另一方面，CLLC 中諧振電路的設(shè)計(jì)更為復(fù)雜。

#5 SiC 的諸多優(yōu)點(diǎn)

SiC 因其獨(dú)特的高臨界電場(chǎng)、高電子漂移速度、高溫和高導(dǎo)熱性組合，而成為大功率系統(tǒng)的首選。在晶體管級(jí)別上，其具備低導(dǎo)通電阻（RDS(on)）和低開(kāi)關(guān)損耗，使其成為大電流高壓應(yīng)用的理想選擇。

除了 SiC，大功率設(shè)計(jì)中的有源器件還有另外兩種選擇，包括硅（Si）MOSFET和IGBT。對(duì)于圖騰柱 PFC 中的高功率應(yīng)用，Si MOSFET 是不切實(shí)際的。Si MOSFET 體二極管的反向恢復(fù)，導(dǎo)致連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下高功率損耗，因此其使用僅限于非連續(xù)模式操作和低功率應(yīng)用。相比之下，SiC MOSFET 允許圖騰柱 PFC 在 CCM 中運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)高效率、低 EMI 和更高的功率密度。對(duì)于額定電壓，Si MOSFET 在 650 V 的電壓下，具有良好的 RDS(on) 性能。對(duì)于 1200 V，Si MOSFET 的 RDS(on) 對(duì)于這種大功率應(yīng)用來(lái)說(shuō)太高了。

與 IGBT 相比，SiC MOSFET 也具有優(yōu)勢(shì)。IGBT 體二極管可以使用超快速二極管代替。但 IGBT 的最大開(kāi)關(guān)頻率由于其高開(kāi)關(guān)損耗而受到限制。與 SiC 解決方案相比，低開(kāi)關(guān)頻率增加了磁性器件和無(wú)源組件的重量和尺寸。

#6 中功率雙向 OBC 架構(gòu)（<6.6 kW）

中功率 OBC 通常采用單相 120 V 或 240 V 輸入和 400 VDC 母線運(yùn)行。拓?fù)涫菃蜗鄨D騰柱 PFC，后面跟著 CLLC DCDC 轉(zhuǎn)換器，如圖 5 所示。

圖 5：使用 SiC 和圖騰柱 PFC 的高效 OBC 架構(gòu)

對(duì)于 6.6 kW，PFC 中每個(gè)位置可采用兩個(gè) 60 mΩ MOSFET 并聯(lián)（例如 Wolfspeed E3M0060065K）或用一個(gè)25 mΩ MOSFET，DCDC 中每個(gè)位置可采用一個(gè) 60 mΩ（E3M0060065K），或一個(gè)45 mΩ MOSFET（E3M0045065K）。下表總結(jié)了這種雙向 OBC 設(shè)計(jì)的器件選擇。

表 1：高效雙向 OBC 架構(gòu)（3.3 - 6.6 kW）的 MOSFET 選擇

Wolfspeed 團(tuán)隊(duì)基于圖 5 中的架構(gòu)設(shè)計(jì)了一個(gè) 6.6 kW OBC 參考設(shè)計(jì)，以展示 SiC MOSFET 在此應(yīng)用中的性能和實(shí)際用途。

該表顯示了相關(guān)的需求。

表 2：6.6 kW 雙向 OBC 參考設(shè)計(jì)規(guī)格

可在線找到 Wolfspeed 的 6.6 kW 高功率密度雙向 OBC 參考設(shè)計(jì)的詳細(xì)信息。

#7 更高功率的雙向 OBC 設(shè)計(jì)（11 kW / 22 kW）

在 11 kW 或 22 kW 等更高功率水平下，電池電壓可以是 400 V 或 800 V，但如前所述，目前市場(chǎng)則正朝著 800 V 發(fā)展。圖 6 顯示了高功率三相雙向 OBC 的系統(tǒng)框圖。

圖 6：高功率三相雙向 OBC 系統(tǒng)框圖

該設(shè)計(jì)可兼容 400 V 或 800 V 電池。

11 kW 設(shè)計(jì)可以將 75 mΩ 1200 V MOSFET（例如 Wolfspeed E3M0075120K）用于 PFC 和 CLLC 轉(zhuǎn)換器的初級(jí)側(cè)。在次級(jí)側(cè)，800V 電池應(yīng)用使用與初級(jí)相同的 75 mΩ MOSFET。40 mΩ 1200 V MOSFET 可用于高性能應(yīng)用，對(duì)于 400 V 電池應(yīng)用，可以選擇四個(gè) 650 V 25 mΩ MOSFET 作為次級(jí)側(cè)。

22 kW 的設(shè)計(jì)與 11 kW OBC 的設(shè)計(jì)相似，但更高的功率輸出需要更低的 RDS(on) 器件，可用一個(gè) 32 mΩ 1200 V MOSFET 用于 PFC 和 DCDC 的初級(jí)側(cè)。同樣地，次級(jí)側(cè)既可以將相同的初級(jí)側(cè)器件用于 800 V 母線應(yīng)用，也可以在 400 V 應(yīng)用使用 650 V 15 mΩ 來(lái)替代。

表 3 總結(jié)了大功率三相設(shè)計(jì)的器件選擇。

表 3：11 kW 和 22 kW 雙向 OBC 的 MOSFET 選擇

Wolfspeed 為三相雙向 OBC 設(shè)計(jì)了兩種參考設(shè)計(jì)，一種用于 22 kW 三相 PFC，一種用于 22 kW DCDC，下表顯示了對(duì)大功率 22 kW OBC 的要求。OBC 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了大于 96% 的整體效率，充電和放電模式的 DC/DC 峰值效率大于 98.5%。有關(guān)三相 22 kW PFC 和 22 kW DC/DC 的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn) Wolfspeed 網(wǎng)站。

表 4：用于雙向 OBC 的 22 kW 三相 PFC 和 DCDC 的高端規(guī)格

#8 22 kW 基于 SiC 的參考設(shè)計(jì)兼容單相輸入和三相輸入

在許多歐洲家庭中，三相電源很容易獲得，但典型的美國(guó)家庭、亞洲和南美家庭只有標(biāo)準(zhǔn)的單相 240 V。在這種情況下，設(shè)計(jì)需要大功率的 22 kW OBC，它可以同時(shí)兼容單相和三相以減少 OBC 的數(shù)量。第四條橋臂被添加到傳統(tǒng)的三相 PFC 中，這樣設(shè)計(jì)人員就可以對(duì)單相輸入使用交錯(cuò)技術(shù)。圖 7 顯示了一個(gè)交錯(cuò)式圖騰柱 PFC，它具有三個(gè)高頻橋臂和第四個(gè)低頻橋臂，每個(gè) PFC 的高頻橋臂通過(guò) 32 mΩ 1200 V SiC MOSFET 提供 6.6 kW 的功率。低頻橋臂可以使用兩個(gè) Si IGBT 來(lái)降低成本。當(dāng)三相可用時(shí)，該電路可以自動(dòng)重新配置為三相工作，使第四條橋臂懸空不用。

圖 7：用于 22 kW 單相設(shè)計(jì)的交錯(cuò)式圖騰柱 PFC

#9 22 kW 雙向 OBC 中比較 SiC 與 Si

在雙向 OBC 中，基于 SiC 的解決方案在成本、尺寸、重量、功率密度和效率所有相關(guān)方面，都優(yōu)于基于 Si 的解決方案。例如，在（為什么在新一代雙向車(chē)載充電機(jī)設(shè)計(jì)中選擇 SiC 而非 Si？）中詳細(xì)的比較表明，22 kW 雙向 OBC（圖 6 中所示）基于 SiC 的解決方案需要 14個(gè) 功率器件和 14個(gè) 柵極驅(qū)動(dòng)器，基于 Si 的設(shè)計(jì)需要 22 個(gè)功率器件和 22 個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器。

在比較性能時(shí)，SiC 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了 97% 的效率和 3 kW/L 的功率密度，而 Si 設(shè)計(jì)效率為 95% 和 2 kW/L 的功率密度。

最后，從系統(tǒng)成本中表明，基于 Si 的解決方案比 SiC 設(shè)計(jì)高出約 18%。6.6 kW 的對(duì)比也展現(xiàn)了 SiC 設(shè)計(jì)的優(yōu)越性。

與 Si 設(shè)計(jì)相比，這些優(yōu)勢(shì)使 SiC 系統(tǒng)節(jié)省的凈壽命約 550 美元。

#10 關(guān)于 Wolfspeed SiC 器件

雙向功能是電動(dòng)汽車(chē) OBC 設(shè)計(jì)的新趨勢(shì)，Wolfspeed SiC MOSFET 通過(guò)提供具有低導(dǎo)通電阻、低輸出電容和低源極電感的器件，完美融合了低開(kāi)關(guān)損耗和低導(dǎo)通損耗，從而解決了許多電源設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。與基于 Si 的解決方案相比，Wolfspeed SiC 功率器件技術(shù)能夠提高系統(tǒng)功率密度、更高的開(kāi)關(guān)頻率、減少組件數(shù)量，以及減少電感、電容、濾波器和變壓器等組件的尺寸，并潛在地降低系統(tǒng)成本。

審核編輯：湯梓紅