使用碳化硅进行双向车载充电机设计
日期：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。
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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。
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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。
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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。
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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Rdson性能。对于1200 V，Si MOSFET的Rdson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 |
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 |
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。
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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Rdson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 |
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 |
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。
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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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