为什么在新一代双向OBC设计中选择SiC而非Si？
硅 (si) 基功率器件由于其技术的成熟性和相对容易的可获性，长期占据着电力电子行业的主导地位。然而，碳化硅 (sic) 器件因其先天的巨大优势能够很好地契合当前的工业趋势，正在获得越来越多的采用。这种宽禁带 (wbg) 半导体器件不仅能够提供比其 si 同类器件大得多的功率密度，还能提供更好的导热性及更高的功率转换效率。而这些特性对于要求高度节能和快速充电的电池相关应用而言，都是特别重要的。
本文是由两部分组成的系列文章的一部分，介绍了车载充电机 (obc) 系统的设计思路，以及 sic 在 obc 应用中相比 si 的优势，且重点关注双向充电机。si 基和 sic基obc 的参考设计比较，详细地说明了在 obc 应用中 sic 相比 si 的实际优势，同时还进行了成本节约分析，并介绍了其为系统带来的具体好处。
为什么选择 sic？
sic 已经渗透到众多电力电子应用领域，包括电源、太阳能逆变器、其他可再生能源的功率转换以及工业电机驱动的逆变器等。结合其在临界电场 (2.2 × 106 v/cm)、电子速度、熔点 (300°c) 和热导率 (4.9 w/cmk) 等方面独特的优势，sic适用于从低功率器件到大功率系统的多种应用。在晶体管级别，采用 sic 可以带来低导通电阻 (r(ds)on)，减少导通损耗，进而可用于高电流应用。与 si 基 igbt 相比，sic 器件电容更低，高开关频率下的开关损耗更少，且滤波器和被动元件的尺寸更小，同时整体热管理系统也更为简单。
wolfspeed 专长 sic 系统的设计和开发，覆盖从基础晶圆开发到采用 sic 器件的设计和支持。表 1 详细说明了 sic 的优点，以及 wolfspeed 在 sic 领域的专长能够带来的综合优势。
这些令人满意的特性推动了 sic 基 ac/dc 和 dc/dc 转换器在低功率到高功率电动车的采用。特别是在电动自行车、混合动力电动汽车 (hev)、插电式混合动力电动汽车 (phev) 和各种纯电动汽车 (bev)（包括通勤汽车和商用卡车）中使用的 obc，以及功率超过 3.3 kw、可为电动汽车电池快速充电的更高功率 obc 系统。这样做的好处包括，简化充电过程，并使这项技术更易被习惯原有内燃机车的消费者所接受（通过降低里程焦虑的负面影响）。
基于这些原因，充电时间和充电后的有效车辆续航里程成为车辆制造商的关键参数，而这两个因素由电池尺寸和额定充电功率所决定。充电功率范围从 3.3 kw 和 6.6 kw 的低功率单相系统到 11 kw 和 22 kw 的大功率系统。图 1 展示了 3.3 kw、6.6 kw、11 kw 和 22 kw obc 相关的典型车型、电池尺寸、从 0% 至 100% 的充电时间以及竞争性技术。
图 1. obc 相关的车型、电池尺寸、从 0% 至 100% 的充电时间和竞争性技术的比较。
车型涵盖从通勤汽车 bev 到类似电动卡车等更大型且更高性能的 bev。如图所示，即使充电功率高 3 倍多，更大容量的车辆从 0% 到 100% 的充电时间仍更长。这使得 obc 尤其适合大功率系统，也就是说，可以使得损耗的功率更少，充电速度也更快。
除了 obc 效率之外，成本、重量和尺寸等参数也非常关键，这可为空间余量有限的车辆更轻松地安装更小型、更轻量的 obc。此外，消费者和 oem 承担的 obc 成本将直接影响制造商的资本支出/最终赢利，以及消费者购买的意愿。为了保持竞争力，obc 必须帮助电动汽车达到内燃机车辆的价格点。
22kw 双向 obc 设计：si 与 sic 设计样本对比
双向功率流的好处
正如我们先前在单向 obc 设计方案中所述，由于可以忽略二极管的损耗，双向充电机在先天上就可以实现比单向设计更高的效率。单向dc/dc模块采用 vienna pfc 二极管，而单向 llc 谐振转换器可通过二极管桥完成输出整流。图 2展示的是单相双向 obc 的典型框架 — 全桥整流器被低损耗 sic mosfet 所取代，从而消除整流二极管正向压降造成的损耗。这反过来可以降低功耗，从而简化热管理要求。
亚太地区 (apac) 正在引领电动汽车的双向充电发展，同时全球总体趋势也是在朝着采用双向 obc 迈进。凭借更高的系统效率，以及用于 v2-其他应用的潜力，包括车辆对家宅 (v2h, vehicle-to-home) 供电、车网互联 (v2g, vehicle-to-grid) 的机会，以及车辆对车辆 (v2v, vehicle-to-vehicle) 充电使用案例（例如应急启动另一辆电动汽车）。
22 kw 双向 obc：si vs. sic
如前面图 1 所示，采用 si 超结技术的 si 基双向 obc 与 si 基 igbt 是 sic 双向 obc 的主要竞争技术。但是，本段内容将说明 sic 如何在所有相关方面（成本、尺寸、重量、功率密度、效率）超越这些技术。让我们从图 3开始，这是 si 基和 sic 基 22 kw 双向 obc 的参考示意图，并排比较了功率器件和栅极驱动的数量。
图 3. (a) si 基和 (b) sic 基 22 kw 双向 obc 示意图。
表 2列出了（第一个）ac/dc 图腾柱 pfc 级和（第二个） dc/dc 双向 cllc 谐振级的各自规格。从图表中可以明显看出，从 si 设计转到 sic 设计，功率器件和栅极驱动的数量都减少 30% 以上，开关频率提高一倍以上。这降低了功率转换系统的组件尺寸、重量和成本，同时提高运行效率。
图 4 进一步细分成本节约，将其分为 si 和 sic 系统的成本。si 系统比 sic 系统高出近 20% — 这主要是由于 dc/dc 模块中有相对大量的栅极驱动和磁性元件。尽管相比单个 si 基二极管和功率晶体管，分立式 sic 基功率器件的成本更高。但在系统中采用时，sic 器件的性能可减少所需元件的数量，从而降低电路元件成本以满足支持各种功率器件功能的要求。
除了成本节约之外，sic 系统在 3 kw/l 的功率密度下可实现 97% 的峰值系统效率，而 si obc 仅可在 2 kw/l 的功率密度下实现 95% 的效率。这一系统效率的提升可为消费者带来每年平均 40 美元的能源节约。
图 4. 采用 sic 与 si 的 22kw 双向 obc 的系统成本明细比较。
表 3对比了 6.6 kw 和 22 kw 双向 obc 的 si 和 sic 方案的成本、功率密度、运行节约和co2 减排。obc 的功率越高，所带来的节约也就越多。6.6 kw 和 22 kw 双向 sic 基 obc 的物料清单 bom 成本更低，最终可为 oem 厂商带来系统成本的降低。再加上运行节约以及由 sic 所推动的 co2 减排，转嫁到消费者身上的成本也将减少，进而缩小了与内燃机解决方案的价格差距，并为co2 减排做出贡献。
wolfspeed 在 sic 领域的技术专长
wolfspeed 拥有 30 多年的 sic 器件与系统的设计和开发经验，可帮助降低技术门槛，助力设计人员在其新一代 obc 中采用出色的 sic 基器件。wolfspeed 提供 sic 功率器件、sic 系统和技术专长的丰富选择并形成组合拳，可快速开发出能在现场可靠运行的稳固耐用的设计拓扑。wolfspeed 产品组合已可完全支持双向 obc，以及单个 ac/dc 和 dc/dc 级。这包括了系统效率为 97% 的 6.6 kw 双向 obc 和效率高达 98.6% 的 22 kw 双向 obc ac/dc和dc/dc 转换器模块（图 5）。
从完善的产品组合到详尽的工程和应用支持，以及在线模拟平台和行业专家，wolfspeed 能为 sic 系统的设计和开发打下全面而坚实的基础。这些已经开始在 sic 基 obc 应用中有所呈现，oem 厂商可通过在其新一代设计中采用这一备受欢迎的技术而获益，同时也为客户提供物料清单 bom 成本的节约以及由高效率设计所带来的成本降低。
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本文是由两部分组成的系列文章的一部分，介绍了车载充电机 (obc) 系统的设计思路，以及 sic 在 obc 应用中相比 si 的优势，且重点关注双向充电机。si 基和 sic基obc 的参考设计比较，详细地说明了在 obc 应用中 sic 相比 si 的实际优势，同时还进行了成本节约分析，并介绍了其为系统带来的具体好处。
为什么选择 sic？
sic 已经渗透到众多电力电子应用领域，包括电源、太阳能逆变器、其他可再生能源的功率转换以及工业电机驱动的逆变器等。结合其在临界电场 (2.2 × 106 v/cm)、电子速度、熔点 (300°c) 和热导率 (4.9 w/cmk) 等方面独特的优势，sic适用于从低功率器件到大功率系统的多种应用。在晶体管级别，采用 sic 可以带来低导通电阻 (r(ds)on)，减少导通损耗，进而可用于高电流应用。与 si 基 igbt 相比，sic 器件电容更低，高开关频率下的开关损耗更少，且滤波器和被动元件的尺寸更小，同时整体热管理系统也更为简单。
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这些令人满意的特性推动了 sic 基 ac/dc 和 dc/dc 转换器在低功率到高功率电动车的采用。特别是在电动自行车、混合动力电动汽车 (hev)、插电式混合动力电动汽车 (phev) 和各种纯电动汽车 (bev)（包括通勤汽车和商用卡车）中使用的 obc，以及功率超过 3.3 kw、可为电动汽车电池快速充电的更高功率 obc 系统。这样做的好处包括，简化充电过程，并使这项技术更易被习惯原有内燃机车的消费者所接受（通过降低里程焦虑的负面影响）。
基于这些原因，充电时间和充电后的有效车辆续航里程成为车辆制造商的关键参数，而这两个因素由电池尺寸和额定充电功率所决定。充电功率范围从 3.3 kw 和 6.6 kw 的低功率单相系统到 11 kw 和 22 kw 的大功率系统。图 1 展示了 3.3 kw、6.6 kw、11 kw 和 22 kw obc 相关的典型车型、电池尺寸、从 0% 至 100% 的充电时间以及竞争性技术。
图 1. obc 相关的车型、电池尺寸、从 0% 至 100% 的充电时间和竞争性技术的比较。
车型涵盖从通勤汽车 bev 到类似电动卡车等更大型且更高性能的 bev。如图所示，即使充电功率高 3 倍多，更大容量的车辆从 0% 到 100% 的充电时间仍更长。这使得 obc 尤其适合大功率系统，也就是说，可以使得损耗的功率更少，充电速度也更快。
除了 obc 效率之外，成本、重量和尺寸等参数也非常关键，这可为空间余量有限的车辆更轻松地安装更小型、更轻量的 obc。此外，消费者和 oem 承担的 obc 成本将直接影响制造商的资本支出/最终赢利，以及消费者购买的意愿。为了保持竞争力，obc 必须帮助电动汽车达到内燃机车辆的价格点。
22kw 双向 obc 设计：si 与 sic 设计样本对比
双向功率流的好处
正如我们先前在单向 obc 设计方案中所述，由于可以忽略二极管的损耗，双向充电机在先天上就可以实现比单向设计更高的效率。单向dc/dc模块采用 vienna pfc 二极管，而单向 llc 谐振转换器可通过二极管桥完成输出整流。图 2展示的是单相双向 obc 的典型框架 — 全桥整流器被低损耗 sic mosfet 所取代，从而消除整流二极管正向压降造成的损耗。这反过来可以降低功耗，从而简化热管理要求。
亚太地区 (apac) 正在引领电动汽车的双向充电发展，同时全球总体趋势也是在朝着采用双向 obc 迈进。凭借更高的系统效率，以及用于 v2-其他应用的潜力，包括车辆对家宅 (v2h, vehicle-to-home) 供电、车网互联 (v2g, vehicle-to-grid) 的机会，以及车辆对车辆 (v2v, vehicle-to-vehicle) 充电使用案例（例如应急启动另一辆电动汽车）。
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图 4 进一步细分成本节约，将其分为 si 和 sic 系统的成本。si 系统比 sic 系统高出近 20% — 这主要是由于 dc/dc 模块中有相对大量的栅极驱动和磁性元件。尽管相比单个 si 基二极管和功率晶体管，分立式 sic 基功率器件的成本更高。但在系统中采用时，sic 器件的性能可减少所需元件的数量，从而降低电路元件成本以满足支持各种功率器件功能的要求。
除了成本节约之外，sic 系统在 3 kw/l 的功率密度下可实现 97% 的峰值系统效率，而 si obc 仅可在 2 kw/l 的功率密度下实现 95% 的效率。这一系统效率的提升可为消费者带来每年平均 40 美元的能源节约。
图 4. 采用 sic 与 si 的 22kw 双向 obc 的系统成本明细比较。
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wolfspeed 在 sic 领域的技术专长
wolfspeed 拥有 30 多年的 sic 器件与系统的设计和开发经验，可帮助降低技术门槛，助力设计人员在其新一代 obc 中采用出色的 sic 基器件。wolfspeed 提供 sic 功率器件、sic 系统和技术专长的丰富选择并形成组合拳，可快速开发出能在现场可靠运行的稳固耐用的设计拓扑。wolfspeed 产品组合已可完全支持双向 obc，以及单个 ac/dc 和 dc/dc 级。这包括了系统效率为 97% 的 6.6 kw 双向 obc 和效率高达 98.6% 的 22 kw 双向 obc ac/dc和dc/dc 转换器模块（图 5）。
从完善的产品组合到详尽的工程和应用支持，以及在线模拟平台和行业专家，wolfspeed 能为 sic 系统的设计和开发打下全面而坚实的基础。这些已经开始在 sic 基 obc 应用中有所呈现，oem 厂商可通过在其新一代设计中采用这一备受欢迎的技术而获益，同时也为客户提供物料清单 bom 成本的节约以及由高效率设计所带来的成本降低。
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