使用碳化硅SiC进行双向充电机OBC设计

电动汽车车载充电机（On Board Charger，OBC）可以根据功率水平和功能采取多种形式，充电功率从微型电动汽车应用中的2KW，到高端电动汽车中的22KW不等。 通常车载充电机是单向的，但近年来，双向充电越来越受关注，本文将讨论碳化硅（SiC）在中功率6.6KW和高功率11~22KW双向车载充电机中的优势。

随着纯电动汽车市场份额的不断增加，动力电池的装机容量也在增加，消费者还要求为大容量电池提供更快的充电时间，这种需求也促使电池的工作电压从400V增加到800V。 拥有足够电池容量的电动汽车将有可能充当储能系统，实现各种车到其他用电设备的供电场景，比如车辆到家庭、车辆到电网和车辆到车辆充电等，因此OBC正在从单向拓扑向双向拓扑转变，电动汽车未来采用双向OBC是一种普遍趋势。

图1：双向OBC使用案例

电动汽车车载充电机设计需要高功率密度和高转换效率，以充分利用有限可用的整车空间并最小化体积和重量。双向OBC前端是由一个双向AC-DC转换器组成，通常是一个功率因数校正PFC电路或有源前端AFE电路，后端则是一个隔离型的双向DC-DC转换器。

01. PFC或AFE模块

在输入端，传统的PFC升压转换器是使用最广泛的单向拓扑，但它不支持双向操作，而图腾柱PFC不仅支持双向操作，还可以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：从传统升压拓扑(a)更改为图腾柱PFC(b)

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

02. DC/DC转换器模块

单向车载充电机中的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3中的双向CLLC谐振转换汽车更适合双向OBC的DC/DC级，它在充电和放电模式下都具备高效率和宽电压范围。

图3：双向CLLC DCDC转换器

在电动汽车车载充电机应用中，CLLC谐振转换器采用软开关来提高效率，初级侧采用零电压开通（ZVS），次级侧采用ZVS+ZCS相结合。

03. SiC的优点

碳化硅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OBC的首选器件，在晶体管级别上，SiC具备低导通电阻和低开关损耗，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二极管的反向恢复，导致连续导通模式下高功率损耗，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在连续导通模式下运行，以实现高效率、低EMI和更高的功率密度。

04. 中功率6.6KW双向OBC架构

中功率双向OBC通常采用单相120V或240V输入和400Vdc母线运行，拓扑前级是单相图腾柱PFC，后级是CLLC DC/DC转换器，如图4所示。

图4：使用SiC和图腾柱PFC的高效OBC架构

对于6.6KW双向OBC，PFC中可采用两个60mΩ MOSFET并联或用一个25mΩ MOSFET，DCDC中可采用一个60mΩ或一个45mΩ MOSFET，下表总结了这种双向OBC设计的器件选择。

表1：3.3KW和6.6KW双向OBC的MOSFET选择

05. 高功率11KW或22KW双向OBC设计

在11KW或22KW等更高功率水平下，电池电压可以是400V或800V，目前市场正朝着800V高压平台发展，图5显示了高功率三相双向OBC的系统框图，该设计可兼容400V或800V电池。

图5：高功率三相双向OBC系统框图

11KW双向OBC设计可以将75mΩ 1200V MOSFET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75mΩ MOSFET，40mΩ 1200V MOSFET可用于高性能应用，对于400V电池应用，可以选择四个650V 25mΩ MOSFET作为次级侧。

22KW的设计与11KW双向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32mΩ 1200V MOSFET用于PFC和DCDC的初级侧，同样次级侧既可以将相同的初级侧器件用于800V母线应用。表2总结了三相大功率OBC设计的器件选择。

表2：11KW和22KW双向OBC的MOSFET选择

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240V，这种情况下，大功率22KW双向OBC需同时兼容单相和三相输入，设计人员可以对单相输入使用交错技术，把第四条桥臂添加到传统的三相PFC中。

图6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，每个高频桥臂通过32mΩ 1200V SiC MOSFET提供6.6KW的功率，低频桥臂可以使用两个Si或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6：用于22KW单相OBC设计的交错式图腾柱PFC

在双向OBC中，基于SiC的解决方案在成本、尺寸、重量、功率密度和效率等相关方面，都优于基于Si的解决方案。

例如，22KW双向OBC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3KW/L的功率密度，而Si设计效率为95%和2KW/L的功率密度。

车载充电机是电动汽车必要的装机部件，迪龙新能源科技河北有限公司通过采用具有低导通电阻、低输出电容和低源极电感的SiC器件，完美融合了低开关损耗和低导通损耗，提高了公司OBC产品的功率密度和转换效率，拥有更高的开关频率，减少了组件数量，以及减少了电感、电容、滤波器和变压器等组件的尺寸，降低了OBC的成本。

审核编辑：刘清