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On-Board Charging
使用碳化矽進行雙向車載充電機設計
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電動汽車（EV）車載充電機（OBC）可以根據功率水準和功能採取多種形式，充電功率從電動機車等應用中的不到2 kW，到高端電動汽車中的22 kW不等。傳統上，充電功率是單向的，但近年來，雙向充電越來越受到關注。本文將重點關注雙向OBC，並討論碳化矽（SiC）在中功率（6.6 kW）和高功率（11 - 22 kW）OBC中的優勢。
為什麼要轉向採用雙向OBC？
隨著汽車世界朝著用更清潔的燃料替代品取代汽油的方向發展，電動汽車運輸的市場區塊正在經歷快速增長。隨著純電動汽車的市場份額不斷增加，每輛車的電池裝機容量也在增 加，消費者還要求為大容量電池提供更快的充電時間。尤其是針對高性能的電動汽車，這種需求也促使電池工作電壓從400 V增加到800 V。
配備足夠電池容量的電動汽車將有可能充當儲能系統，實現各種車聯網（vehicle-to-everything, V2X）的充電用例，像是車輛到家庭發電、車輛到電網的應用機會，或是進行車輛到車輛充電。因此，OBC正在從單向拓撲到雙向拓撲轉變，採用雙向 OBC 提高系統效率是一種普遍趨勢。
雙向OBC系統模組
電動汽車的OBC設計需要高功率密度和最大化效率，以充分利用可用的電動汽車空間並最小化重量。雙向OBC由一個雙向AC/DC轉換器組成，通常是一個功率因數校正（PFC）或主動式前端（AFE）電路，後面則跟著一個隔離的雙向DC/DC轉換器。讓我們分別檢查這些模組。
PFC/AFE模組
在輸入端，傳統的PFC升壓轉換器是使用最廣泛的單相拓撲，但它不支持雙向操作並且效率相對較低。圖騰柱PFC通過消除橋式整流器級來提高效率，將傳導路徑中的半導體器件數量從 三個減少到兩個。
圖騰柱PFC包含兩個以不同頻率工作的半橋，高頻橋臂進行升壓、整流，以高頻率切換。低頻橋臂主要對輸入電壓進行整流，在50/60 Hz的頻率下切換。
在歐洲的一些地區，三 相電源可用於住宅公用事業，通常可以使用三相6開關PFC/AFE拓撲，如圖3所示。
還有其他類型的三相PFC，例如T型PFC，它是一種三電平轉換器。三電平轉換器的好處是開關損耗更低，電感器尺寸更小。然而，想要獲得這些好處，將會增加系統複雜性、更多的元件數量、更高的總成本和轉換器的總體尺寸。因此，圖3所示的基本2電平三相PFC轉換器，是三相雙向OBC最常用的拓撲。
DC/DC轉換器模組
單向OBC中的DC/DC轉換器通常是LLC諧振轉換器，但這是一種單 向拓撲，在反向工作模式下，轉換器的電壓增益受到限制，從而降低了其性能。因此，圖4中的雙向CLLC諧振轉換器更適合DC/DC級，因為它在充電和放電模式下都結合了高效率和寬輸出電壓範圍。
在電動汽車OBC應用中，CLLC採用軟開關來提高效率，採用初級側的零電壓開通（ZVS），次級側ZVS+ZCS開關相結合。
另一種常見的雙向DCDC轉換器拓撲是雙主動橋（DAB）。DAB的操作非常簡單，通過移相調節輸出。然而，它的ZVS範圍有限，並且由於DAB關斷電流高於CLLC，因此其開關損耗高於CLLC。因此，總的來說，DAB的效率低於CLLC。另一方面，CLLC中諧振電路的設計更為複雜。
SiC的諸多優點
SiC因其獨特的高臨界電場、高電子漂移速度、高溫和高導熱性組合，而成為大功率系統的首選。在電晶體級別上，其具備低導通電阻（RDS(on)）和低開關損耗，使其成為大電流高壓應用的理想選擇。
除了SiC，大功率設計中的主動元件還有另外兩種選擇，包括矽（Si）MOSFET和 IGBT。對於圖騰柱PFC中的高功率應用，Si MOSFET是不切實際的。Si MOSFET體二極體的反向恢復，導致連續導通模式（CCM）下高功率損耗，因此其使用僅限於非連續模式操作和低功率應用。相比之下，SiC MOSFET允許圖騰柱PFC在CCM中運行，以實現高效率、低EMI和更高的功率密度。對於額定電壓，Si MOSFET在650 V的電壓下，具有良好的Rdson性能。對於1200 V，Si MOSFET的Rdson對於這種大功率應用來說太高了。
與IGBT相比，SiC MOSFET也具有優勢。IGBT體二極體可以使用超快速二極體代替。但IGBT的最大開關頻率由於其高開關損耗而受到限制。與SiC解決方案相比，低開關頻率增加了磁性元件和被動元件的重量和尺寸。
中功率雙向OBC架構（<6.6 kW）
中功率OBC通常採用單相120 V或240 V輸入和400 VDC母線運行。拓撲是單相圖騰柱PFC，後面跟著CLLC DCDC轉換器，如圖5所示。
對於6.6 kW，PFC中每個位置可採用兩個60 mΩ MOSFET並聯（例如Wolfspeed E3M0060065K）或用一個25 mΩ MOSFET，DCDC中每個位置可採用一個60 mΩ（E3M0060065K），或一個45 mΩ MOSFET（E3M0045065K）。下表總結了這種雙向OBC。
Power | SiC MOSFET Voltage Rating | SiC MOSFET PFC | SiC MOSFET DCDC |
|---|---|---|---|
3.3kW | 650 V | 60mO | 120 mΩ |
6.6 kW | 650 V | 2 × 60mΩ or 25mΩ | 60 mΩ or 45 mΩ |
表1：高效雙向OBC架構（3.3 - 6.6 kW）的MOSFET選擇
Wolfspeed團隊基於圖5中的架構設計了一個6.6 kW OBC參考設計，以展示SiC MOSFET在此應用中的性能和實際用途。
Description | Requirements |
|---|---|
Input Voltage | 1Φ, 240V/120V |
Output Voltage 400V Battery | 250 - 450 Vdc |
Rated Power | 6.6 Kw (Derating r or 180 |
ACDC peak Efficiency | >98.5% |
DCDC peak Efficiency | >98% |
DC Bus Voltage | 400V |
表2：6.6 kW雙向OBC參考設計規格
可線上找到Wolfspeed的6.6 kW高功率密度雙向OBC參考設計的詳細資訊。
更高功率的雙向OBC設計（11 kW / 22 kW）
在11 kW或22 kW等更高功率水準下，電池電壓可以是400 V或800 V，但如前所述，目前市場則正朝著800 V發展。圖6顯示了高功率三相雙向OBC的系統框圖。
11 kW設計可以將75 mΩ 1200 V MOSFET（例如Wolfspeed的E3M0075120K）用於PFC和CLLC轉換器的初級側。在次級側，800V電池應用使用與初級相同的75 mΩ MOSFET。40 mΩ 1200 V MOSFET可用于高性能應用，對於400 V電池應用，可以選擇四個650 V 25 mΩ MOSFET作為次級側。
22 kW的設計與11 kW OBC的設計相似，但更高的功率輸出需 要更低的Rdson元件，可用一個32 mΩ 1200 V MOSFET用於PFC和DCDC的初級側。同樣地，次級側既可以將相同的初級側元件用於800 V母線應用，也可以在400 V應用使用650 V 15 mΩ來替代。表3總結了大功率三相設計的元件選擇。
Power | SiC MOSFET PFC (1200 V) | SiC MOSFET DCDC Primary (1200 V) | SiC MOSFET DCDC Secondary 1200V (for 800 V battery) | SiC MOSFET DCDC Secondary 650V (for 400 V battery) |
|---|---|---|---|---|
11 kW | 75 mΩ or 40 mΩ | 75 mΩ or 40 mΩ | 75 mΩ or 40 mΩ | 25 mΩ |
22 kW | 32 mΩ | 40 mΩ or 32 mΩ | 40 mΩ or 32 mΩ | 15 mΩ |
表3：11kW和22kW雙向OBC的MOSFET選擇
Wolfspeed為3相雙向OBC設計了兩種參考設計，一種用於22 kW三相PFC，一種用於22 kW DCDC，下表顯示了對大功率22 kW OBC的要求。OBC設計實現了大於96%的整體效率，充電和放電模式的DC/DC峰值效率大於98.5%。有關三相22 kW PFC和22 kW DC/DC的更多詳細資訊，請瀏覽Wolfspeed網站。
Input Voltage | 3phase AC Input Charging | 1phse AC Input charging | Discharging Mode |
|---|---|---|---|
Input Voltage | 304Vac ~ 456Vac | 90Vac ~ 277Vac | 300Vdc - 800Vdc |
Output Voltage | 200 - 800Vdc | 200 - 800Vdc | 220Vdc |
Rated Power | 22kW 36A max | 6.6kW | 6.6kW |
OBC peak Efficiency | >96% | >96% | >96% |
DCDC peak Efficiency | >98.5% | >98.5% | >98.5% |
DC Bus Voltage | 650V - 900V | 380V - 900V | 360V - 760V |
表4：用於雙向OBC的22 kW三相PFC和DCDC的高端規格
22 kW基於SiC的參考設計相容單相輸入和三相輸入
在許多歐洲家庭中，三相電源很容易獲得，但典型的美國家庭、亞洲和南美家庭只有標準的單相240 V。在這種情況下，設計需要大功率的22 kW OBC，它可以同時相容單相和三相以減少OBC的數量。第四條橋臂被添加到傳統的三相PFC中，這樣設計人員就可以對單相輸入使用交錯技術。圖7顯示了一個交錯式圖騰柱PFC，它具有三個高頻橋臂和第四個低頻橋臂，每個PFC的高頻橋臂通過32 mΩ 1200 V SiC MOSFET提供6.6 kW的功率。低頻橋臂可以使用兩個Si IGBT來降低成本。當三相可用時，該電路可以自動重新配置為三相工作，使第四條橋臂懸空不用。
22 kW雙向OBC中比較SiC與Si
在雙向OBC中，基於SiC的解決方案在成本、尺寸、重量、功率密度和效率所有相關方面，都優於基於Si的解決方案。例如，在（為什麼在下一個雙向車載充電機設計中選擇SiC而不是Si？）中詳細的比較表明，22kW雙向OBC（圖6中所示）基於SiC的解決方案需要14個功率元件和14個柵極驅動器，基於Si的設計需要22個功率元件和22個柵極驅動器。在比較性能時，SiC設計實現了97%的效率和3 kW/L的功率密度，而Si設計效率為95%和2 kW/L的功率密度。最後，從系統成本中表明，基於Si的解決方案比SiC設計高出約18%。6.6 kW的對比也展現了SiC設計的優越性。與Si設計相比，這些優勢使SiC系統節省的淨壽命約550美元。
關於Wolfspeed SiC元件
雙向功能是電動汽車OBC設計的新趨勢，Wolfspeed SiC MOSFET通過提供具有低導通電阻、低輸出電容和低源極電感的元件，完美融合了低開關損耗和低導通損耗，從而解決了許多電源設計挑戰。與基於Si的解決方案相比，Wolfspeed SiC功率元件技術能夠提高系統功率密度、更高的開關頻率、減少元件數量，以及減少電感、電容、濾波器和變壓器等元件的尺寸，並潛在地降低系統成本。
本文回顧了6.6 kW和22 kW OBC應用的雙向設計，並概述了通過切換到基於SiC的解決方案 可以獲得的性能優勢和成本節約。要瞭解有關電源設計注意事項和其他主題的更多資訊，請瀏覽Wolfspeed知識中心。