電動(dòng)汽車(chē)（EV）車(chē)載充電機（OBC）可以根據功率水平和功能采取多種形式，充電功率從電動(dòng)機車(chē)等應用中的不到2 kW，到高端電動(dòng)汽車(chē)中的22 kW不等。傳統上，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。
為什么要轉向采用雙向OBC？
隨著(zhù)汽車(chē)世界朝著(zhù)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)運輸的市場(chǎng)區塊正在經(jīng)歷快速增長(cháng)。隨著(zhù)純電動(dòng)汽車(chē)的市場(chǎng)份額不斷增加，每輛車(chē)的電池裝機容量也在增加，消費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)將有可能充當儲能系統，實(shí)現各種車(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)的應用機會(huì )，或是進(jìn)行車(chē)輛到車(chē)輛充電。因此，OBC正在從單向拓撲到雙向拓撲轉變，采用雙向 OBC 提高系統效率是一種普遍趨勢。
圖1：雙向OBC支持新型車(chē)聯(lián)網(wǎng)的使用案例
雙向OBC系統模塊
電動(dòng)汽車(chē)的OBC設計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轉換器組成，通常是一個(gè)功率因數校正（PFC）或有源前端（AFE）電路，后面則跟著(zhù)一個(gè)隔離的雙向DC/DC轉換器。讓我們分別檢查這些模塊。
PFC/AFE 模塊
在輸入端，傳統的PFC升壓轉換器是使用最廣泛的單相拓撲，但它不支持雙向操作并且效率相對較低。圖騰柱PFC通過(guò)消除橋式整流器級來(lái)提高效率，將傳導路徑中的半導體器件數量從三個(gè)減少到兩個(gè)。
圖2：從升壓拓撲(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，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拓撲，如圖3所示。
圖3：雙向三相6開(kāi)關(guān)PFC拓撲
還有其他類(lèi)型的三相PFC，例如T型PFC，它是一種三電平轉換器。三電平轉換器的好處是開(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 )增加系統復雜性、更多的器件數量、更高的總成本和轉換器的總體尺寸。因此，圖3所示的基本2電平三相PFC轉換器，是三相雙向OBC最常用的拓撲。
DC/DC轉換器模塊
單向OBC中的DC/DC轉換器通常是LLC諧振轉換器，但這是一種單向拓撲，在反向工作模式下，轉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諧振轉換器更適合DC/DC級，因為它在充電和放電模式下都結合了高效率和寬輸出電壓范圍。
圖4：雙向CLLC DCDC轉換器
在電動(dòng)汽車(chē)OBC應用中，CLLC采用軟開(kāi)關(guān)來(lái)提高效率，采用初級側的零電壓開(kāi)通（ZVS），次級側ZVS+ZCS開(kāi)關(guān)相結合。
另一種常見(jiàn)的雙向DCDC轉換器拓撲是雙有源橋（DAB）。DAB的操作非常簡(jiǎn)單，通過(guò)移相調節輸出。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中諧振電路的設計更為復雜。
SiC的諸多優(yōu)點(diǎn)
SiC因其獨特的高臨界電場(chǎng)、高電子漂移速度、高溫和高導熱性組合，而成為大功率系統的首選。在晶體管級別上，其具備低導通電阻（RDS(on)）和低開(kāi)關(guān)損耗，使其成為大電流高壓應用的理想選擇。
除了SiC，大功率設計中的有源器件還有另外兩種選擇，包括硅（Si）MOSFET和 IGBT。對于圖騰柱PFC中的高功率應用，Si MOSFET是不切實(shí)際的。Si MOSFET體二極管的反向恢復，導致連續導通模式（CCM）下高功率損耗，因此其使用僅限于非連續模式操作和低功率應用。相比之下，SiC MOSFET允許圖騰柱PFC在CCM中運行，以實(shí)現高效率、低EMI和更高的功率密度。對于額定電壓，Si MOSFET在650 V的電壓下，具有良好的RDS(on)性能。對于1200 V，Si MOSFET的RDS(on)對于這種大功率應用來(lái)說(shuō)太高了。
與IGBT相比，SiC MOSFET也具有優(yōu)勢。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。
中功率雙向OBC架構（<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(xiàn)運行。拓撲是單相圖騰柱PFC，后面跟著(zhù)CLLC DCDC轉換器，如圖5所示。
圖5：使用SiC和圖騰柱PFC的高效OBC架構
對于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）。下表總結了這種雙向OBC設計的器件選擇。
表1：高效雙向OBC架構（3.3 - 6.6 kW）的MOSFET選擇
Wolfspeed團隊基于圖5中的架構設計了一個(gè)6.6 kW OBC參考設計，以展示SiC MOSFET在此應用中的性能和實(shí)際用途。
該表顯示了相關(guān)的需求。
表2：6.6 kW雙向OBC參考設計規格
可在線(xiàn)找到Wolfspeed的6.6 kW高功率密度雙向OBC參考設計的詳細信息。
更高功率的雙向OBC設計（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(zhù)800 V發(fā)展。圖6顯示了高功率三相雙向OBC的系統框圖。
圖6：高功率三相雙向OBC系統框圖
該設計可兼容400 V或800 V電池。
11 kW設計可以將75 mΩ 1200 V MOSFET（例如Wolfspeed的E3M0075120K）用于PFC和CLLC轉換器的初級側。在次級側，800V電池應用使用與初級相同的75 mΩ MOSFET。40 mΩ 1200 V MOSFET可用于高性能應用，對于400 V電池應用，可以選擇四個(gè)650 V 25 mΩ MOSFET作為次級側。
22 kW的設計與11 kW OBC的設計相似，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的初級側。同樣地，次級側既可以將相同的初級側器件用于800 V母線(xiàn)應用，也可以在400 V應用使用650 V 15 mΩ來(lái)替代。
表3總結了大功率三相設計的器件選擇。
表3：11kW和22kW雙向OBC的MOSFET選擇
Wolfspeed為3相雙向OBC設計了兩種參考設計，一種用于22 kW三相PFC，一種用于22 kW DCDC，下表顯示了對大功率22 kW OBC的要求。OBC設計實(shí)現了大于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的更多詳細信息，請訪(fǎng)問(wèn)Wolfspeed網(wǎng)站。
表4：用于雙向OBC的22 kW三相PFC和DCDC的高端規格
22 kW基于SiC的參考設計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，但典型的美國家庭、亞洲和南美家庭只有標準的單相240 V。在這種情況下，設計需要大功率的22 kW OBC，它可以同時(shí)兼容單相和三相以減少OBC的數量。第四條橋臂被添加到傳統的三相PFC中，這樣設計人員就可以對單相輸入使用交錯技術(shù)。圖7顯示了一個(gè)交錯式圖騰柱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單相設計的交錯式圖騰柱PFC
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（為什么在下一個(gè)雙向車(chē)載充電機設計中選擇SiC而不是Si？）中詳細的比較表明，22kW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)柵極驅動(dòng)器，基于Si的設計需要22個(gè)功率器件和22個(gè)柵極驅動(dòng)器。
在比較性能時(shí)，SiC設計實(shí)現了97%的效率和3 kW/L的功率密度，而Si設計效率為95%和2 kW/L的功率密度。
最后，從系統成本中表明，基于Si的解決方案比SiC設計高出約18%。6.6 kW的對比也展現了SiC設計的優(yōu)越性。
與Si設計相比，這些優(yōu)勢使SiC系統節省的凈壽命約550美元。
關(guān)于Wolfspeed SiC器件
雙向功能是電動(dòng)汽車(chē)OBC設計的新趨勢，Wolfspeed SiC MOSFET通過(guò)提供具有低導通電阻、低輸出電容和低源極電感的器件，完美融合了低開(kāi)關(guān)損耗和低導通損耗，從而解決了許多電源設計挑戰。與基于Si的解決方案相比，Wolfspeed SiC功率器件技術(shù)能夠提高系統功率密度、更高的開(kāi)關(guān)頻率、減少組件數量，以及減少電感、電容、濾波器和變壓器等組件的尺寸，并潛在地降低系統成本。
本文回顧了6.6 kW和22 kW OBC應用的雙向設計，并概述了通過(guò)切換到基于SiC的解決方案可以獲得的性能優(yōu)勢和成本節約。要了解有關(guān)電源設計注意事項和其他主題的更多信息，請訪(fǎng)問(wèn)Wolfspeed知識中心。 |
