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[导读]电动汽车车载充电器 (OBC) 使电动汽车能够在任何有交流电源的地方充电。根据功率级别和功能,它们可以采用多种形式。充电功率从电动踏板车等应用中的不到 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。一个新的趋势是在 OBC 中添加双向功能,使 EV 可以成为移动储能系统。本文将仅关注单向 OBC,并讨论碳化硅在 2 kW 以上高功率应用中的优势。

电动汽车车载充电器 (OBC) 使电动汽车能够在任何有交流电源的地方充电。根据功率级别和功能,它们可以采用多种形式。充电功率从电动踏板车等应用中的不到 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。一个新的趋势是在 OBC 中添加双向功能,使 EV 可以成为移动储能系统。本文将仅关注单向 OBC,并讨论碳化硅在 2 kW 以上高功率应用中的优势。

来自电网的交流电压和电流对 OBC 设计施加了限制。美国的标准家用插座可提供高达 1.92 kW(120 VAC,15 A)的功率,而 208 或 240-VAC 美国分相系统可提供高达 19.2 kW 的功率,具体取决于分支断路器的容量。欧盟的标准家用电压为 230 VAC,并提供三相市电。

显示了低、中、高功率obc的典型用途。在印度和中国,低功耗obc在印度和中国的电动自行车和低功耗电动汽车中很受欢迎。目前,中等功率市场(2~7.4 kW)是最受欢迎的许多常见的电池电动汽车在欧洲,和美国中型电池使用单相交流和充电电动汽车电池约400 V,但随着长期需求持续增加,市场倾向于800伏电池与高功率三相电池11 kW和22 kW。对于给定的功率水平,它们可以提供更快的充电时间和更低的电流。

无论电网功率如何,AC-DC OBC 中的主要构建模块都是功率因数校正 (PFC) 模块和 DC/DC 转换器。主要的设计权衡是在功率密度、效率和成本之间。本文分解了每个功率级别并讨论了每个类别的设备选择。SiC MOSFET 和二极管可以提供比 Si 器件更好的效率和功率密度。SiC 的主要机会在于中高功率 (>3 kW) OBC。

低功耗 OBC 架构 (<2 kW)

在市场的最低端,当成本最优先时,硅MOSFETs和二极管是首选,尽管它们在高功率应用方面与碳化硅相比有缺点。显示了一个增压PFC和一个半桥式LLC转换器;这种组合适用于低功耗、成本敏感的OBC应用程序。通常情况下,该结构从单相120-V/240-VAC电源提供一个相对较低压的电池(<60 V),可以达到~93%的峰值系统效率。

中功率成本敏感的OBC架构(3.3-7.4 kW)

对于中等功率架构,设计人员可以在成本敏感型和高效率选项之间进行选择。中等功率成本敏感型设计使用与以前相同的 PFC 拓扑,但用全桥设计取代了半桥 LLC DC/DC 转换器,以支持 400V 电池。使用更高的电池电压,可以减少输出整流器的功率损耗。因此,效率比上面讨论的低功率 OBC 的效率有所提高,峰值效率约为 94%。在低成本设计的有源开关插座中,Si MOSFET 仍将占主导地位。这种低成本设计中 SiC 的主要机会是 PFC 中的 SiC 二极管。 SiC 二极管的零反向恢复电流使 SiC 能够替代 Si 快速二极管。由于 LLC 的软开关拓扑结构,一个 600V 的硅二极管在输出侧就足够了。在这种情况下,Vf 比开关性能更重要。

中功率、高效 OBC 架构 (3.3–7.4 kW)

传统 PFC 中的二极管桥会浪费功率,因此高效架构将其替换为图腾柱 PFC。图腾柱 PFC 通过将传导路径中的半导体器件数量从三个减少到两个来提高效率。图腾柱 PFC 一直是许多理论研究的主题,但由于 Si MOSFET 体二极管的换向,Si MOSFET 将其使用限制在临界导通模式 (CRM) 操作和低功率应用中。SiC MOSFET 允许在连续导通模式 (CCM) 下运行,以实现高效率、低 EMI 和高功率密度。图腾柱 PFC 现在在高效设计中被普遍接受。一种高效的中等功率设计可以实现 >98.5% 的峰值 AC/DC 效率。整个系统的峰值效率约为 96%。

例如,对于 3.3 kW 设计,可以在 PFC 级中使用 60 mΩ、650 V SiC MOSFET。四个这样的器件可用于 DC/DC 侧,输出端有 Si 二极管。对于 6.6-kW 设计,可以在 PFC 级中并联使用两对 60-mΩ、650-V SiC MOSFET,也可以使用单对 25-mΩ 器件。

更高功率的 OBC 设计

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,市场正朝着 800 V 发展,从高性能车辆开始。

大功率设计采用三相电源;PFC 和 DC/DC 级的效率均 > 98%,总效率约为 96% 至 97%。

通过将三个单相 3.7-kW 设计并联组合,可以为 400-V 总线生产 11-kW OBC;功率密度会更低,成本会比从头开始的方法更高,但重复使用现有设计可能会缩短上市时间。最佳结果将从具有 800 V 总线的优化三相设计中获得。

Vienna 整流器是三相功率校正的热门选择,因为它具有高效率、CCM 操作、三电平开关和降低功率器件上的电压应力。

在全 SiC 设计中,11 kW Vienna 整流器使用六个 E3M0060065K SiC MOSFET 和六个 E4D20120H 二极管。二极管是 1,200-V 器件;MOSFET 可以是 650-V 器件,因为维也纳整流器的三电平开关,它们只能看到一半的总线电压 (400 V)。

全桥 LLC 在输出端使用四个 1,200-V SiC MOSFET 和四个 1,200-V SiC 二极管。800-V 总线需要 75-mΩ 或 40-mΩ R DS(on)的 1,200-V SiC MOSFET ;1,200-V 的 Si MOSFET 在此应用中没有竞争力,而 SiC 输出二极管比相应的 Si 器件更受欢迎,因为它具有更低的压降和更好的开关性能。

对于 22 kW OBC,可以使用三个并联的 7.4 kW OBC,但同样,基于带有 SiC MOSFET 和 SiC 二极管的 Vienna 整流器的解决方案是更好的方法。该设计与 11kW OBC 的设计相似,但更高的功率输出需要 6 个较低 R DS(on) MOSFET (25-mΩ R DS(on) ) 和 6 个更高额定电流的 SiC 二极管。 PFC 和 DC/DC。

总结:按应用划分的 SiC 与 Si

SiC 在 OBC 中的效率和功率密度方面比 Si 器件提供更好的性能。OBC 设计人员何时应考虑使用 SiC 器件而不是 Si?

关于 Wolfspeed SiC 器件

Wolfspeed SiC MOSFET 通过提供具有低导通电阻、极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。与基于硅的解决方案相比,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、减少元件数量以及减小电感器、电容器、滤波器和变压器等元件的尺寸。


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