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使用碳化硅进行双向车载充电机设计
2022/9/5 8:39:35 材料来源：化合物半导体
作者：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�？�
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�？梢允褂萌� 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 所示的基本二电平三相 PFC 转换器，是三相双向 OBC 最常用的拓扑。
DC/DC 转换器�？�
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（RDS(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 RDS(on) 性能。对于 1200 V，Si MOSFET 的 RDS(on) 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。
▲ 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。
▲ 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 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 RDS(on) 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。
▲ 表 3：11 kW 和 22 kW 双向 OBC 的 MOSFET 选择
Wolfspeed 为三相双向 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。
▲ 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（为什么在新一代双向车载充电机设计中选择 SiC 而非 Si？）中详细的比较表明，22 kW 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。
英文原稿，敬请访问：
https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/designing-with-silicon-carbide-in-bidirectional-on-board-chargers/
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