SiC如何推動(dòng)車載充電技術(shù)向800V邁進(jìn)？

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作者：安森美產(chǎn)品線經(jīng)理 Kevin Keller

雖然“續(xù)航焦慮”一直存在，但混合動(dòng)力、純電動(dòng)等各種形式的電動(dòng)汽車(EV)正被越來(lái)越多的人所接受。汽車制造商繼續(xù)努力提高電動(dòng)汽車的行駛里程并縮短充電時(shí)間，以克服這個(gè)影響采用率的重要障礙。電動(dòng)汽車的易用性和便利性受到充電方式的顯著影響。由于高功率充電站數(shù)量有限，相當(dāng)一部分車主仍然需要依賴車載充電器(OBC)來(lái)為電動(dòng)汽車充電。為了提高車載充電器的性能，汽車制造商正在探索采用碳化硅(SiC)等新技術(shù)。這篇技術(shù)文章將探討車載充電器的重要性，以及半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)技術(shù)進(jìn)步如何推動(dòng)車載充電器的性能提升到全新水平。

如今市場(chǎng)上有多種使用不同推進(jìn)系統(tǒng)的汽車，包括僅由內(nèi)燃機(jī)(ICE)提供動(dòng)力的汽車、結(jié)合使用內(nèi)燃機(jī)和電力系統(tǒng)的混合動(dòng)力汽車(xHEV)和純電動(dòng)汽車(xEV)。xHEV包括兩種不同類型的汽車，分別為輕度混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 (MHEV)和全混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(FHEV)。

MHEV主要依靠?jī)?nèi)燃機(jī)，同時(shí)集成了一個(gè)小型電池（通常為48V）。但是，MHEV無(wú)法僅依靠電力行駛，電動(dòng)機(jī)旨在幫助適度降低油耗。

相比之下，F(xiàn)HEV具有更強(qiáng)的靈活性，因?yàn)樗梢詿o(wú)縫結(jié)合使用內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)，其中電動(dòng)機(jī)由電池供電（通常工作電壓范圍為100-300V）。FHEV 還可以利用制動(dòng)能量回收技術(shù)為電池充電，利用制動(dòng)過(guò)程中捕獲的能量來(lái)提高效率。

所有xEV，包括插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車和純電池電動(dòng)汽車(BEV)，都配備再生制動(dòng)系統(tǒng)。然而，由于具有較大的電池容量，這些汽車在很大程度上依賴車載充電器進(jìn)行充電。

圖1：如今存在多種多樣的電動(dòng)汽車，包括MHEV、FHEV、PHEV和BEV

最簡(jiǎn)單的充電方式差不多就是通過(guò)線纜將電動(dòng)汽車車載充電器連接到墻上插座（通常需要接地故障保護(hù)）。盡管這種充電方式非常便利，但大多數(shù)住宅 1級(jí)系統(tǒng)（或J1772標(biāo)準(zhǔn)中定義的SAE AC 1級(jí)）的工作功率約為1.2kW，充電一小時(shí)只能增加5英里的里程^[1]。2級(jí)系統(tǒng)（或SAE AC 2級(jí)）通常使用電網(wǎng)的多相交流供電，最常見(jiàn)于公共建筑和商業(yè)設(shè)施。功率最高可達(dá)22kW，充電一小時(shí)可以增加90英里的里程。

無(wú)論是1級(jí)還是2級(jí)充電器，都是為電動(dòng)汽車提供交流電，因此車載充電器是將交流輸入轉(zhuǎn)換為直流輸出來(lái)為電池充電的關(guān)鍵。目前，市面部署的大多數(shù)充電器都是2級(jí)充電器。

大功率直流充電樁通常稱為3級(jí)、SAE 1級(jí)和2級(jí)直流充電樁或IEC模式4充電器，它輸出直流電壓，可以直接為電池充電，而無(wú)需車載充電器。這些直流充電樁的功率范圍從50kW到超過(guò)350kW，可以在大約15-20分鐘內(nèi)充電至電池容量的80%?？紤]到高功率水平和需要對(duì)電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行改造，盡管快速充電站的數(shù)量正在迅速增加，但仍然相對(duì)有限。

許多汽車制造商目前正在將400V電池改為800V電池。這種轉(zhuǎn)變旨在通過(guò)提高系統(tǒng)效率、提升性能、加快充電速度和減輕線纜和電池重量來(lái)延長(zhǎng)電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。

車載充電器分析

車載充電器通常是二級(jí)電源轉(zhuǎn)換器，由功率因子校正級(jí)(PFC)和隔離型DC-DC轉(zhuǎn)換器級(jí)組成。需要注意的是，雖然非隔離型配置是可行的，但很少使用。功率因子校正級(jí)對(duì)交流供電進(jìn)行整流，將功率因子保持在0.9以上，并為DC-DC級(jí)生成調(diào)節(jié)的總線電壓。

過(guò)去幾年中，市場(chǎng)對(duì)雙向系統(tǒng)的需求顯著增加。雙向系統(tǒng)讓電動(dòng)汽車能夠提供從電池到電源的反向功率流，以支持各種用途，例如動(dòng)態(tài)平衡電網(wǎng)負(fù)載（V2G：車輛到電網(wǎng)）或管理電網(wǎng)停電（V2L：車輛到負(fù)載）。

傳統(tǒng)的功率因子校正方法涉及到結(jié)合使用二極管整流橋與升壓轉(zhuǎn)換器。整流橋?qū)⒔涣麟妷恨D(zhuǎn)換為直流電壓，而升壓轉(zhuǎn)換器則負(fù)責(zé)升高電壓。該基本電路的增強(qiáng)版本采用交錯(cuò)式升壓拓?fù)?，通過(guò)并聯(lián)多個(gè)轉(zhuǎn)換器級(jí)，以減少紋波電流并提高效率。這些功率因子校正拓?fù)渫ǔ２捎霉杓夹g(shù)，如超結(jié)MOSFET和低Vf二極管。

隨著寬禁帶(WBG)功率開(kāi)關(guān)的出現(xiàn)，特別是SiC功率開(kāi)關(guān)，新的設(shè)計(jì)方法得以實(shí)現(xiàn)。這類功率開(kāi)關(guān)具有較低的開(kāi)關(guān)損耗、較低的R_DS(on)和低反向恢復(fù)體二極管優(yōu)勢(shì)。

在中高功率的功率因子校正應(yīng)用（通常為6.6kW及以上）中，無(wú)橋圖騰柱拓?fù)渥兊迷絹?lái)越普及。如圖2所示，在這種拓?fù)渲?，慢橋?Q5-Q6)以電網(wǎng)頻率(50-60Hz)開(kāi)關(guān)，而快橋臂(Q1-Q4)則會(huì)進(jìn)行電流整形和升壓，并在硬開(kāi)關(guān)模式下以更高頻率（通常為65-110kHz）運(yùn)行。盡管無(wú)橋圖騰柱拓?fù)浯蠓岣吡诵什p少了功率元件的數(shù)量，但它提高了控制方面的復(fù)雜性。

圖2：無(wú)橋圖騰柱拓?fù)?/span>

DC-DC級(jí)通常采用隔離式拓?fù)?，使用變壓器提供隔離，主要目的是根據(jù)電池的充電狀態(tài)調(diào)節(jié)輸出電壓。盡管可以采用半橋拓?fù)?，但?dāng)前主要采用雙有源橋(DAB)轉(zhuǎn)換器方案，例如諧振轉(zhuǎn)換器（比如LLC、CLLC）或相移全橋 (PSFB)轉(zhuǎn)換器。近來(lái)，諧振轉(zhuǎn)換器，特別是LLC和CLLC，因其具備多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)而受到廣泛關(guān)注，具體優(yōu)勢(shì)包括寬軟開(kāi)關(guān)工作范圍、雙向工作能力以及將諧振電感和變壓器整合到單個(gè)功率變壓器中的便利性。

圖3：雙向DC-DC允許在用電高峰期間將電力返回電網(wǎng)

車載充電器應(yīng)用中的SiC

對(duì)于400V電池組，通常首選SiC 650V器件。然而，對(duì)于800V結(jié)構(gòu)，由于具有更高的電壓要求，因此需要使用額定電壓為1200V的器件。

車載充電器領(lǐng)域采用SiC的原因是其各項(xiàng)品質(zhì)因數(shù)(FOM)表現(xiàn)出色。SiC在單位面積的具體R_DS(on)、開(kāi)關(guān)損耗、反向恢復(fù)二極管和擊穿電壓方面具備優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)使得基于SiC的方案能夠在更高的溫度下可靠地運(yùn)行。利用這些出色的性能特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)更高效、更輕量的設(shè)計(jì)。因此，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更高的功率水平（最高可達(dá)22kW），而這是使用基于硅的傳統(tǒng)方案（如 IGBT或超結(jié)）難以實(shí)現(xiàn)的。

雖然電動(dòng)汽車采用更高功率的車載充電器可能不會(huì)直接影響汽車的續(xù)航里程，但它能夠顯著縮短充電時(shí)間，有助于解決續(xù)航焦慮問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)更快的充電速度，車載充電器的功率正在不斷提高。SiC技術(shù)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，使這些系統(tǒng)變得更加高效，確保高效地轉(zhuǎn)換電網(wǎng)電力，避免能源浪費(fèi)。該技術(shù)使人們能夠設(shè)計(jì)更緊湊、輕量和可靠的車載充電器系統(tǒng)。

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^[1]充電一小時(shí)增加的里程數(shù)根據(jù)汽車能耗為0.21kWh/英里或13kWh/100km來(lái)估算。

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