在單向車載充電器應用中使用碳化硅器件進行電源設計

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

來自電網(wǎng)的交流電壓和電流對 OBC 設計施加了限制。美國的標準家用插座可提供高達 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 19.2 kW 的功率，具體取決于分支斷路器的容量。歐盟的標準家用電壓為 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自行車和低功耗電動汽車中很受歡迎。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汽車在歐洲，和美國中型電池使用單相交流和充電電動汽車電池約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。對于給定的功率水平，它們可以提供更快的充電時間和更低的電流。

無論電網(wǎng)功率如何，AC-DC OBC 中的主要構建模塊都是功率因數(shù)校正 (PFC) 模塊和 DC/DC 轉換器。主要的設計權衡是在功率密度、效率和成本之間。本文分解了每個功率級別并討論了每個類別的設備選擇。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 的主要機會在于中高功率 (>3 kW) OBC。

低功耗 OBC 架構 (<2 kW)

在市場的最低端，當成本最優(yōu)先時，硅MOSFETs和二極管是首選，盡管它們在高功率應用方面與碳化硅相比有缺點。顯示了一個增壓PFC和一個半橋式LLC轉換器;這種組合適用于低功耗、成本敏感的OBC應用程序。通常情況下，該結構從單相120-V/240-VAC電源提供一個相對較低壓的電池(<60 V)，可以達到~93%的峰值系統(tǒng)效率。

中功率成本敏感的OBC架構(3.3-7.4 kW)

對于中等功率架構，設計人員可以在成本敏感型和高效率選項之間進行選擇。中等功率成本敏感型設計使用與以前相同的 PFC 拓撲，但用全橋設計取代了半橋 LLC DC/DC 轉換器，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%。在低成本設計的有源開關插座中，Si MOSFET 仍將占主導地位。這種低成本設計中 SiC 的主要機會是 PFC 中的 SiC 二極管。 SiC 二極管的零反向恢復電流使 SiC 能夠替代 Si 快速二極管。由于 LLC 的軟開關拓撲結構，一個 600V 的硅二極管在輸出側就足夠了。在這種情況下，Vf 比開關性能更重要。

中功率、高效 OBC 架構 (3.3–7.4 kW)

傳統(tǒng) PFC 中的二極管橋會浪費功率，因此高效架構將其替換為圖騰柱 PFC。圖騰柱 PFC 通過將傳導路徑中的半導體器件數(shù)量從三個減少到兩個來提高效率。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通模式 (CRM) 操作和低功率應用中。SiC MOSFET 允許在連續(xù)導通模式 (CCM) 下運行，以實現(xiàn)高效率、低 EMI 和高功率密度。圖騰柱 PFC 現(xiàn)在在高效設計中被普遍接受。一種高效的中等功率設計可以實現(xiàn) >98.5% 的峰值 AC/DC 效率。整個系統(tǒng)的峰值效率約為 96%。

例如，對于 3.3 kW 設計，可以在 PFC 級中使用 60 mΩ、650 V SiC MOSFET。四個這樣的器件可用于 DC/DC 側，輸出端有 Si 二極管。對于 6.6-kW 設計，可以在 PFC 級中并聯(lián)使用兩對 60-mΩ、650-V SiC MOSFET，也可以使用單對 25-mΩ 器件。

更高功率的 OBC 設計

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。

大功率設計采用三相電源;PFC 和 DC/DC 級的效率均 > 98%，總效率約為 96% 至 97%。

通過將三個單相 3.7-kW 設計并聯(lián)組合，可以為 400-V 總線生產(chǎn) 11-kW OBC;功率密度會更低，成本會比從頭開始的方法更高，但重復使用現(xiàn)有設計可能會縮短上市時間。最佳結果將從具有 800 V 總線的優(yōu)化三相設計中獲得。

Vienna 整流器是三相功率校正的熱門選擇，因為它具有高效率、CCM 操作、三電平開關和降低功率器件上的電壓應力。

在全 SiC 設計中，11 kW Vienna 整流器使用六個 E3M0060065K SiC MOSFET 和六個 E4D20120H 二極管。二極管是 1,200-V 器件;MOSFET 可以是 650-V 器件，因為維也納整流器的三電平開關，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 1,200-V SiC MOSFET 和四個 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 在此應用中沒有競爭力，而 SiC 輸出二極管比相應的 Si 器件更受歡迎，因為它具有更低的壓降和更好的開關性能。

對于 22 kW OBC，可以使用三個并聯(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。該設計與 11kW OBC 的設計相似，但更高的功率輸出需要 6 個較低 R DS(on) MOSFET (25-mΩ R DS(on) ) 和 6 個更高額定電流的 SiC 二極管。 PFC 和 DC/DC。

總結：按應用劃分的 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 設計人員何時應考慮使用 SiC 器件而不是 Si?

關于 Wolfspeed SiC 器件

Wolfspeed SiC MOSFET 通過提供具有低導通電阻、極低輸出電容和低源極電感的器件，完美融合了低開關損耗和低導通損耗，從而解決了許多電源設計挑戰(zhàn)。與基于硅的解決方案相比，Wolfspeed SiC 功率器件技術能夠提高系統(tǒng)功率密度、更高的開關頻率、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。