在單向車載充電器應(yīng)用中使用碳化硅器件進(jìn)行電源設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車車載充電器 (OBC) 使電動(dòng)汽車能夠在任何有交流電源的地方充電。根據(jù)功率級(jí)別和功能，它們可以采用多種形式。充電功率從電動(dòng)踏板車等應(yīng)用中的不到 2 kW 到高端電動(dòng)汽車中的 22 kW 不等。傳統(tǒng)上，充電功率是單向的。一個(gè)新的趨勢(shì)是在 OBC 中添加雙向功能，使 EV 可以成為移動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)。本文將僅關(guān)注單向 OBC，并討論碳化硅在 2 kW 以上高功率應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。

來自電網(wǎng)的交流電壓和電流對(duì) OBC 設(shè)計(jì)施加了限制。美國的標(biāo)準(zhǔn)家用插座可提供高達(dá) 1.92 kW(120 VAC，15 A)的功率，而 208 或 240-VAC 美國分相系統(tǒng)可提供高達(dá) 19.2 kW 的功率，具體取決于分支斷路器的容量。歐盟的標(biāo)準(zhǔn)家用電壓為 230 VAC，并提供三相市電。

顯示了低、中、高功率obc的典型用途。在印度和中國，低功耗obc在印度和中國的電動(dòng)自行車和低功耗電動(dòng)汽車中很受歡迎。目前，中等功率市場(2~7.4 kW)是最受歡迎的許多常見的電池電動(dòng)汽車在歐洲，和美國中型電池使用單相交流和充電電動(dòng)汽車電池約400 V，但隨著長期需求持續(xù)增加，市場傾向于800伏電池與高功率三相電池11 kW和22 kW。對(duì)于給定的功率水平，它們可以提供更快的充電時(shí)間和更低的電流。

無論電網(wǎng)功率如何，AC-DC OBC 中的主要構(gòu)建模塊都是功率因數(shù)校正 (PFC) 模塊和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。主要的設(shè)計(jì)權(quán)衡是在功率密度、效率和成本之間。本文分解了每個(gè)功率級(jí)別并討論了每個(gè)類別的設(shè)備選擇。SiC MOSFET 和二極管可以提供比 Si 器件更好的效率和功率密度。SiC 的主要機(jī)會(huì)在于中高功率 (>3 kW) OBC。

低功耗 OBC 架構(gòu) (<2 kW)

在市場的最低端，當(dāng)成本最優(yōu)先時(shí)，硅MOSFETs和二極管是首選，盡管它們?cè)诟吖β蕬?yīng)用方面與碳化硅相比有缺點(diǎn)。顯示了一個(gè)增壓PFC和一個(gè)半橋式LLC轉(zhuǎn)換器;這種組合適用于低功耗、成本敏感的OBC應(yīng)用程序。通常情況下，該結(jié)構(gòu)從單相120-V/240-VAC電源提供一個(gè)相對(duì)較低壓的電池(<60 V)，可以達(dá)到~93%的峰值系統(tǒng)效率。

中功率成本敏感的OBC架構(gòu)(3.3-7.4 kW)

對(duì)于中等功率架構(gòu)，設(shè)計(jì)人員可以在成本敏感型和高效率選項(xiàng)之間進(jìn)行選擇。中等功率成本敏感型設(shè)計(jì)使用與以前相同的 PFC 拓?fù)?，但用全橋設(shè)計(jì)取代了半橋 LLC DC/DC 轉(zhuǎn)換器，以支持 400V 電池。使用更高的電池電壓，可以減少輸出整流器的功率損耗。因此，效率比上面討論的低功率 OBC 的效率有所提高，峰值效率約為 94%。在低成本設(shè)計(jì)的有源開關(guān)插座中，Si MOSFET 仍將占主導(dǎo)地位。這種低成本設(shè)計(jì)中 SiC 的主要機(jī)會(huì)是 PFC 中的 SiC 二極管。 SiC 二極管的零反向恢復(fù)電流使 SiC 能夠替代 Si 快速二極管。由于 LLC 的軟開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一個(gè) 600V 的硅二極管在輸出側(cè)就足夠了。在這種情況下，Vf 比開關(guān)性能更重要。

中功率、高效 OBC 架構(gòu) (3.3–7.4 kW)

傳統(tǒng) PFC 中的二極管橋會(huì)浪費(fèi)功率，因此高效架構(gòu)將其替換為圖騰柱 PFC。圖騰柱 PFC 通過將傳導(dǎo)路徑中的半導(dǎo)體器件數(shù)量從三個(gè)減少到兩個(gè)來提高效率。圖騰柱 PFC 一直是許多理論研究的主題，但由于 Si MOSFET 體二極管的換向，Si MOSFET 將其使用限制在臨界導(dǎo)通模式 (CRM) 操作和低功率應(yīng)用中。SiC MOSFET 允許在連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 下運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)高效率、低 EMI 和高功率密度。圖騰柱 PFC 現(xiàn)在在高效設(shè)計(jì)中被普遍接受。一種高效的中等功率設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn) >98.5% 的峰值 AC/DC 效率。整個(gè)系統(tǒng)的峰值效率約為 96%。

例如，對(duì)于 3.3 kW 設(shè)計(jì)，可以在 PFC 級(jí)中使用 60 mΩ、650 V SiC MOSFET。四個(gè)這樣的器件可用于 DC/DC 側(cè)，輸出端有 Si 二極管。對(duì)于 6.6-kW 設(shè)計(jì)，可以在 PFC 級(jí)中并聯(lián)使用兩對(duì) 60-mΩ、650-V SiC MOSFET，也可以使用單對(duì) 25-mΩ 器件。

更高功率的 OBC 設(shè)計(jì)

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，市場正朝著 800 V 發(fā)展，從高性能車輛開始。

大功率設(shè)計(jì)采用三相電源;PFC 和 DC/DC 級(jí)的效率均 > 98%，總效率約為 96% 至 97%。

通過將三個(gè)單相 3.7-kW 設(shè)計(jì)并聯(lián)組合，可以為 400-V 總線生產(chǎn) 11-kW OBC;功率密度會(huì)更低，成本會(huì)比從頭開始的方法更高，但重復(fù)使用現(xiàn)有設(shè)計(jì)可能會(huì)縮短上市時(shí)間。最佳結(jié)果將從具有 800 V 總線的優(yōu)化三相設(shè)計(jì)中獲得。

Vienna 整流器是三相功率校正的熱門選擇，因?yàn)樗哂懈咝?、CCM 操作、三電平開關(guān)和降低功率器件上的電壓應(yīng)力。

在全 SiC 設(shè)計(jì)中，11 kW Vienna 整流器使用六個(gè) E3M0060065K SiC MOSFET 和六個(gè) E4D20120H 二極管。二極管是 1,200-V 器件;MOSFET 可以是 650-V 器件，因?yàn)榫S也納整流器的三電平開關(guān)，它們只能看到一半的總線電壓 (400 V)。

全橋 LLC 在輸出端使用四個(gè) 1,200-V SiC MOSFET 和四個(gè) 1,200-V SiC 二極管。800-V 總線需要 75-mΩ 或 40-mΩ R DS(on)的 1,200-V SiC MOSFET ;1,200-V 的 Si MOSFET 在此應(yīng)用中沒有競爭力，而 SiC 輸出二極管比相應(yīng)的 Si 器件更受歡迎，因?yàn)樗哂懈偷膲航岛透玫拈_關(guān)性能。

對(duì)于 22 kW OBC，可以使用三個(gè)并聯(lián)的 7.4 kW OBC，但同樣，基于帶有 SiC MOSFET 和 SiC 二極管的 Vienna 整流器的解決方案是更好的方法。該設(shè)計(jì)與 11kW OBC 的設(shè)計(jì)相似，但更高的功率輸出需要 6 個(gè)較低 R DS(on) MOSFET (25-mΩ R DS(on) ) 和 6 個(gè)更高額定電流的 SiC 二極管。 PFC 和 DC/DC。

總結(jié)：按應(yīng)用劃分的 SiC 與 Si

SiC 在 OBC 中的效率和功率密度方面比 Si 器件提供更好的性能。OBC 設(shè)計(jì)人員何時(shí)應(yīng)考慮使用 SiC 器件而不是 Si?

關(guān)于 Wolfspeed SiC 器件

Wolfspeed SiC MOSFET 通過提供具有低導(dǎo)通電阻、極低輸出電容和低源極電感的器件，完美融合了低開關(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)。與基于硅的解決方案相比，Wolfspeed SiC 功率器件技術(shù)能夠提高系統(tǒng)功率密度、更高的開關(guān)頻率、減少元件數(shù)量以及減小電感器、電容器、濾波器和變壓器等元件的尺寸。