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On-Board Charging

使用碳化矽進行雙向車載充電機設計

Jianwen Shao
Jul 18, 2022
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Article

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。 

An illustration of an electric vehicle. There's an overlay of icons that show how energy is transferred through the vehicle. There's an outside plug labled "AC Source", with arrows pointing to and from a box icon labeled "AC-DC", followed by another box icon with an arrow pointing to and from an icon of a standard car battery. Underneath is a statement that reads "V2X Use Cases: V2B - Vehicle to Building, V2G - Vehicle to Grid, V2H - Vehicle to Home, V2L - Vehicle to Load, V2V - Vehicle to Vehicle."
圖1:雙向OBC支持新型車聯網的使用案例

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。 

Two illustrated circuit diagrams. Underneath the left illustration there's a label that reads, "(a) Conventional Boost PFC" and underneath the right illustration there's a label that reads, "(b) Totem Pole PFC".
圖2:從升壓拓撲(a)更改為圖騰柱PFC (b)可提高效率並允許雙向操作。

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。 

Illustrated circuit diagram showing PFC topology.
圖3:雙向三相6開關PFC拓撲

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。 

Illustrated circuit diagram showing a bi-directional CLLC DCDC converter.
圖4:雙向CLLC DCDC轉換器

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。 

Illustrated circuit diagram showing a high efficiency on-board charger that uses SiC and a totem-pole PFC
圖5:使用SiC和圖騰柱PFC的高效OBC架構

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。

圖6:高功率三相雙向OBC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 PFC22 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。 

Illustrated diagram of a totem-pole PFC, featuring
圖7:用於22 kW單相設計的交錯式圖騰柱PFC

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。 

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