使用碳化硅进行双向车载充电机设计

2022-10-25

作者：Jianwen Shao，分立应用经理，WolfSpeed

电动汽车（EV）车载充电机（OBC）可以根据功率水平和功能采取多种形式，充电功率从电动机车等应用中的不到2 kW，到高端电动汽车中的22 kW不等。传统上，充电功率是单向的，但近年来，双向充电越来越受到关注。本文将重点关注双向OBC，并讨论碳化硅（SiC）在中功率（6.6 kW）和高功率（11 - 22 kW）OBC中的优势。

为什么要转向采用双向OBC？

随着汽车世界朝着用更清洁的燃料替代品取代汽油的方向发展，电动汽车运输的市场区块正在经历快速增长。随着纯电动汽车的市场份额不断增加，每辆车的电池装机容量也在增加，消费者还要求为大容量电池提供更快的充电时间。尤其是针对高性能的电动汽车，这种需求也促使电池工作电压从400 V增加到800 V。

配备足够电池容量的电动汽车将有可能充当储能系统，实现各种车联网（vehicle-to-everything, V2X）的充电用例，像是车辆到家庭发电、车辆到电网的应用机会，或是进行车辆到车辆充电。因此，OBC正在从单向拓扑到双向拓扑转变，采用双向 OBC 提高系统效率是一种普遍趋势。

图1：双向OBC支持新型车联网的使用案例

双向OBC系统模块

电动汽车的OBC设计需要高功率密度和最大化效率，以充分利用可用的电动汽车空间并最小化重量。双向OBC由一个双向AC/DC转换器组成，通常是一个功率因数校正（PFC）或有源前端（AFE）电路，后面则跟着一个隔离的双向DC/DC转换器。让我们分别检查这些模块。

PFC/AFE模块

在输入端，传统的PFC升压转换器是使用最广泛的单相拓扑，但它不支持双向操作并且效率相对较低。图腾柱PFC通过消除桥式整流器级来提高效率，将传导路径中的半导体器件数量从三个减少到两个。

图2：从升压拓扑(a)更改为图腾柱PFC (b)可提高效率并允许双向操作。

图腾柱PFC包含两个以不同频率工作的半桥，高频桥臂进行升压、整流，以高频率切换。低频桥臂主要对输入电压进行整流，在50/60 Hz的频率下切换。

在欧洲的一些地区，三相电源可用于住宅公用事业，通常可以使用三相6开关PFC/AFE拓扑，如图3所示。

图3：双向三相6开关PFC拓扑

还有其他类型的三相PFC，例如T型PFC，它是一种三电平转换器。三电平转换器的好处是开关损耗更低，电感器尺寸更小。然而，想要获得这些好处，将会增加系统复杂性、更多的器件数量、更高的总成本和转换器的总体尺寸。因此，图3所示的基本2电平三相PFC转换器，是三相双向OBC最常用的拓扑。

DC/DC转换器模块

单向OBC中的DC/DC转换器通常是LLC谐振转换器，但这是一种单向拓扑，在反向工作模式下，转换器的电压增益受到限制，从而降低了其性能。因此，图4中的双向CLLC谐振转换器更适合DC/DC级，因为它在充电和放电模式下都结合了高效率和宽输出电压范围。

图4：双向CLLC DCDC转换器

在电动汽车OBC应用中，CLLC采用软开关来提高效率，采用初级侧的零电压开通（ZVS），次级侧ZVS+ZCS开关相结合。

另一种常见的双向DCDC转换器拓扑是双有源桥（DAB）。DAB的操作非常简单，通过移相调节输出。然而，它的ZVS范围有限，并且由于DAB关断电流高于CLLC，因此其开关损耗高于CLLC。因此，总的来说，DAB的效率低于CLLC。另一方面，CLLC中谐振电路的设计更为复杂。

SiC的诸多优点

SiC因其独特的高临界电场、高电子漂移速度、高温和高导热性组合，而成为大功率系统的首选。在晶体管级别上，其具备低导通电阻（R_DS(on)）和低开关损耗，使其成为大电流高压应用的理想选择。

除了SiC，大功率设计中的有源器件还有另外两种选择，包括硅（Si）MOSFET和 IGBT。对于图腾柱PFC中的高功率应用，Si MOSFET是不切实际的。Si MOSFET体二极管的反向恢复，导致连续导通模式（CCM）下高功率损耗，因此其使用仅限于非连续模式操作和低功率应用。相比之下，SiC MOSFET允许图腾柱PFC在CCM中运行，以实现高效率、低EMI和更高的功率密度。对于额定电压，Si MOSFET在650 V的电压下，具有良好的R_dson性能。对于1200 V，Si MOSFET的R_dson对于这种大功率应用来说太高了。

与IGBT相比，SiC MOSFET也具有优势。IGBT体二极管可以使用超快速二极管代替。但IGBT的最大开关频率由于其高开关损耗而受到限制。与SiC解决方案相比，低开关频率增加了磁性器件和无源组件的重量和尺寸。

中功率双向OBC架构（<6.6 kW）

中功率OBC通常采用单相120 V或240 V输入和400 VDC母线运行。拓扑是单相图腾柱PFC，后面跟着CLLC DCDC转换器，如图5所示。

图5：使用SiC和图腾柱PFC的高效OBC架构

对于6.6 kW，PFC中每个位置可采用两个60 mΩ MOSFET并联（例如Wolfspeed E3M0060065K）或用一个25 mΩ MOSFET，DCDC中每个位置可采用一个60 mΩ（E3M0060065K），或一个45 mΩ MOSFET（E3M0045065K）。下表总结了这种双向OBC设计的器件选择。

功率	SiC MOSFET额定电压	SiC MOSFET PFC	SiC MOSFET DCDC
3.3kW	650 V	60 mΩ	120 mΩ
6.6 kW	650 V	2 × 60 mΩ或25 mΩ	60 mΩ或45 mΩ

表1：高效双向OBC架构（3.3 - 6.6 kW）的MOSFET选择

Wolfspeed团队基于图5中的架构设计了一个6.6 kW OBC参考设计，以展示SiC MOSFET在此应用中的性能和实际用途。

该表显示了相关的需求。

描述	需求
输入电压	1Φ, 240Vac/120Vac
输出电压(400V电池)	250 - 450 Vdc
额定功率	6.6 kW（小于180Vac降额）
ACDC峰值效率	>98.5%
DCDC峰值效率	>98%
直流母线电压	400V

表2：6.6 kW双向OBC参考设计规格

可在线找到Wolfspeed的6.6 kW高功率密度双向OBC参考设计的详细信息。

更高功率的双向OBC设计（11 kW / 22 kW）

在11 kW或22 kW等更高功率水平下，电池电压可以是400 V或800 V，但如前所述，目前市场则正朝着800 V发展。图6显示了高功率三相双向OBC的系统框图。

图6：高功率三相双向OBC系统框图

该设计可兼容400 V或800 V电池。

11 kW设计可以将75 mΩ 1200 V MOSFET（例如Wolfspeed的E3M0075120K）用于PFC和CLLC转换器的初级侧。在次级侧，800V电池应用使用与初级相同的75 mΩ MOSFET。40 mΩ 1200 V MOSFET可用于高性能应用，对于400 V电池应用，可以选择四个650 V 25 mΩ MOSFET作为次级侧。

22 kW的设计与11 kW OBC的设计相似，但更高的功率输出需要更低的R_dson器件，可用一个32 mΩ 1200 V MOSFET用于PFC和DCDC的初级侧。同样地，次级侧既可以将相同的初级侧器件用于800 V母线应用，也可以在400 V应用使用650 V 15 mΩ来替代。
表3总结了大功率三相设计的器件选择。

功率	SiC MOSFET PFC（1200 V）	SiC MOSFET DCDC初级（1200 V）	SiC MOSFET DCDC次级1200V（用于800 V电池）	SiC MOSFET DCDC次级650V（用于400 V电池）
11 kW	75 mΩ或40 mΩ	75 mΩ或40 mΩ	75 mΩ或40 mΩ	25 mΩ
22 kW	32 mΩ	40 mΩ或32 mΩ	40 mΩ或32 mΩ	15 mΩ

表3：11kW和22kW双向OBC的MOSFET选择

Wolfspeed为3相双向OBC设计了两种参考设计，一种用于22 kW三相PFC，一种用于22 kW DCDC，下表显示了对大功率22 kW OBC的要求。OBC设计实现了大于96%的整体效率，充电和放电模式的DC/DC峰值效率大于98.5%。有关三相22 kW PFC和22 kW DC/DC的更多详细信息，请访问Wolfspeed网站。

输入电压	三相交流输入充电	一相交流输入充电	放电模式
输入电压	304Vac ~ 456Vac	90Vac ~ 277Vac	300Vdc - 800Vdc
输出电压	200 - 800 Vdc	200 - 800 Vdc	220 Vac
额定功率	最大22kW 36A	6.6 kW	6.6 kW
OBC峰值效率	>96%	>96%	>96%
DCDC峰值效率	>98.5%	>98.5%	>98.5%
直流母线电压	650 V - 900 V	380 V - 900 V	360 V - 760 V

表4：用于双向OBC的22 kW三相PFC和DCDC的高端规格

22 kW基于SiC的参考设计兼容单相输入和三相输入

在许多欧洲家庭中，三相电源很容易获得，但典型的美国家庭、亚洲和南美家庭只有标准的单相240 V。在这种情况下，设计需要大功率的22 kW OBC，它可以同时兼容单相和三相以减少OBC的数量。第四条桥臂被添加到传统的三相PFC中，这样设计人员就可以对单相输入使用交错技术。图7显示了一个交错式图腾柱PFC，它具有三个高频桥臂和第四个低频桥臂，每个PFC的高频桥臂通过32 mΩ 1200 V SiC MOSFET提供6.6 kW的功率。低频桥臂可以使用两个Si IGBT来降低成本。当三相可用时，该电路可以自动重新配置为三相工作，使第四条桥臂悬空不用。

图7：用于22 kW单相设计的交错式图腾柱PFC

22 kW双向OBC中比较SiC与Si

在双向OBC中，基于SiC的解决方案在成本、尺寸、重量、功率密度和效率所有相关方面，都优于基于Si的解决方案。例如，在（为什么在下一个双向车载充电机设计中选择SiC而不是Si？）中详细的比较表明，22kW双向OBC（图6中所示）基于SiC的解决方案需要14个功率器件和14个栅极驱动器，基于Si的设计需要22个功率器件和22个栅极驱动器。

在比较性能时，SiC设计实现了97%的效率和3 kW/L的功率密度，而Si设计效率为95%和2 kW/L的功率密度。

最后，从系统成本中表明，基于Si的解决方案比SiC设计高出约18%。6.6 kW的对比也展现了SiC设计的优越性。

与Si设计相比，这些优势使SiC系统节省的净寿命约550美元。

关于Wolfspeed SiC器件

双向功能是电动汽车OBC设计的新趋势，Wolfspeed SiC MOSFET通过提供具有低导通电阻、低输出电容和低源极电感的器件，完美融合了低开关损耗和低导通损耗，从而解决了许多电源设计挑战。与基于Si的解决方案相比，Wolfspeed SiC功率器件技术能够提高系统功率密度、更高的开关频率、减少组件数量，以及减少电感、电容、滤波器和变压器等组件的尺寸，并潜在地降低系统成本。

本文回顾了6.6 kW和22 kW OBC应用的双向设计，并概述了通过切换到基于SiC的解决方案可以获得的性能优势和成本节约。要了解有关电源设计注意事项和其他主题的更多信息，请访问Wolfspeed知识中心。

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