為什么在新一代雙向OBC設(shè)計中選擇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。

本文是由兩部分組成的系列文章的一部分，介紹了車載充電機 (OBC) 系統(tǒng)的設(shè)計思路，以及 SiC 在 OBC 應(yīng)用中相比 Si 的優(yōu)勢，且重點關(guān)注雙向充電機。Si 基和 SiC基OBC 的參考設(shè)計比較，詳細地說明了在 OBC 應(yīng)用中 SiC 相比 Si 的實際優(yōu)勢，同時還進行了成本節(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)電機驅(qū)動的逆變器等。結(jié)合其在臨界電場 (2.2 × 106 V/cm)、電子速度、熔點 (300°C) 和熱導(dǎo)率 (4.9 W/cmK) 等方面獨特的優(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，且濾波器和被動元件的尺寸更小，同時整體熱管理系統(tǒng)也更為簡單。

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

這些令人滿意的特性推動了 SiC 基 AC/DC 和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器在低功率到高功率電動車的采用。特別是在電動自行車、混合動力電動汽車 (HEV)、插電式混合動力電動汽車 (PHEV) 和各種純電動汽車 (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，并使這項技術(shù)更易被習(xí)慣原有內(nèi)燃機車的消費者所接受（通過降低里程焦慮的負面影響）。

基于這些原因，充電時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，以及消費者購買的意愿。為了保持競爭力，OBC 必須幫助電動汽車達到內(nèi)燃機車輛的價格點。

22kW 雙向 OBC 設(shè)計：Si 與 SiC 設(shè)計樣本對比

雙向功率流的好處

正如我們先前在單向 OBC 設(shè)計方案中所述，由于可以忽略二極管的損耗，雙向充電機在先天上就可以實現(xiàn)比單向設(shè)計更高的效率。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。

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

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，并排比較了功率器件和柵極驅(qū)動的數(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）AC/DC 圖騰柱 PFC 級和（第二個） DC/DC 雙向 CLLC 諧振級的各自規(guī)格。從圖表中可以明顯看出，從 Si 設(shè)計轉(zhuǎn)到 SiC 設(shè)計，功率器件和柵極驅(qū)動的數(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，同時提高運行效率。

圖 4 進一步細分成本節(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 模塊中有相對大量的柵極驅(qū)動和磁性元件。盡管相比單個 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，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。

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 的功率密度下實現(xiàn) 95% 的效率。這一系統(tǒng)效率的提升可為消費者帶來每年平均 40 美元的能源節(jié)約。

圖 4. 采用 SIC 與 SI 的 22KW 雙向 OBC 的系統(tǒng)成本明細比較。

表 3對比了 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。再加上運行節(jié)約以及由 SiC 所推動的 CO2減排，轉(zhuǎn)嫁到消費者身上的成本也將減少，進而縮小了與內(nèi)燃機解決方案的價格差距，并為CO2減排做出貢獻。

Wolfspeed 在 SiC 領(lǐng)域的技術(shù)專長

Wolfspeed 擁有 30 多年的 SiC 器件與系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)經(jīng)驗，可幫助降低技術(shù)門檻，助力設(shè)計人員在其新一代 OBC 中采用出色的 SiC 基器件。Wolfspeed 提供 SiC 功率器件、SiC 系統(tǒng)和技術(shù)專長的豐富選擇并形成組合拳，可快速開發(fā)出能在現(xiàn)場可靠運行的穩(wěn)固耐用的設(shè)計拓撲。Wolfspeed 產(chǎn)品組合已可完全支持雙向 OBC，以及單個 AC/DC 和 DC/DC 級。這包括了系統(tǒng)效率為 97% 的 6.6 kW 雙向 OBC 和效率高達 98.6% 的 22 kW 雙向 OBC AC/DC和DC/DC 轉(zhuǎn)換器模塊（圖 5）。

從完善的產(chǎn)品組合到詳盡的工程和應(yīng)用支持，以及在線模擬平臺和行業(yè)專家，Wolfspeed 能為 SiC 系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)打下全面而堅實的基礎(chǔ)。這些已經(jīng)開始在 SiC 基 OBC 應(yīng)用中有所呈現(xiàn)，OEM 廠商可通過在其新一代設(shè)計中采用這一備受歡迎的技術(shù)而獲益，同時也為客戶提供物料清單 BOM 成本的節(jié)約以及由高效率設(shè)計所帶來的成本降低。

審核編輯：郭婷