使用碳化硅进行双向车载充电机设计
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2kw，到高端电动汽车中的22kw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（6.6kw）和高功率（11-22kw）obc中的优势。
01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400v增加到800v。
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。
▲图1：双向obc支持新型车联网的使用案例
02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。
03pfc/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。
▲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50/60hz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。
▲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所示的基本二电平三相pfc转换器，是三相双向obc最常用的拓扑。
04dc/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。
▲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。
05sic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650v的电压下，具有良好的rds(on)性能。对于1200v，si mosfet的rds(on)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。
06中功率双向obc架构（＜6.6kw）
中功率obc通常采用单相120v或240v输入和400vdc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6.6kw，pfc中每个位置可采用两个60mω mosfet并联（例如wolfspeed e3m0060065k）或用一个25mω mosfet，dcdc中每个位置可采用一个60mω（e3m0060065k）或一个45mω mosfet（e3m0045065k）。下表总结了这种双向obc设计的器件选择。
▲表1：高效双向obc架构（3.3-6.6kw）的mosfet选择
wolfspeed团队基于图5中的架构设计了一个6.6kw 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。
▲表2：6.6kw双向obc参考设计规格
可在线找到wolfspeed的6.6kw高功率密度双向obc参考设计的详细信息。
07更高功率的双向obc设计（11kw/22kw）
在11kw或22kw等更高功率水平下，电池电压可以是400v或800v，但如前所述，目前市场则正朝着800v发展。图6显示了高功率三相双向obc的系统框图。
▲图6：高功率三相双向obc系统框图
该设计可兼容400v或800v电池。
11kw设计可以将75mω 1200v mosfet（例如wolfspeed 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 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。同样地，次级侧既可以将相同的初级侧器件用于800v母线应用，也可以在400v应用使用650v 15mω来替代。
表3总结了大功率三相设计的器件选择。
▲表3：11kw和22kw双向obc的mosfet选择
wolfspeed为三相双向obc设计了两种参考设计，一种用于22kw三相pfc，一种用于22kw dcdc，下表显示了对大功率22kw 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22kw pfc和22kw dc/dc的更多详细信息，请访问wolfspeed网站。
▲表4：用于双向obc的22kw三相pfc和dcdc的高端规格
0822kw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240v。在这种情况下，设计需要大功率的22kw 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32mω 1200v sic mosfet提供6.6kw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。
▲图7：用于22kw单相设计的交错式图腾柱pfc
0922kw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（为什么在新一代双向车载充电机设计中选择sic而非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3kw/l的功率密度，而si设计效率为95%和2kw/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%。6.6kw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。
来源：wolfspeed
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▲图2：从升压拓扑（a）更改为图腾柱pfc（b）
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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所示的基本二电平三相pfc转换器，是三相双向obc最常用的拓扑。
04dc/dc转换器模块
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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。
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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。
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▲图6：高功率三相双向obc系统框图
该设计可兼容400v或800v电池。
11kw设计可以将75mω 1200v mosfet（例如wolfspeed 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 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。同样地，次级侧既可以将相同的初级侧器件用于800v母线应用，也可以在400v应用使用650v 15mω来替代。
表3总结了大功率三相设计的器件选择。
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▲图7：用于22kw单相设计的交错式图腾柱pfc
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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（为什么在新一代双向车载充电机设计中选择sic而非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。
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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%。6.6kw的对比也展现了sic设计的优越性。
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