硅（Si）基電力電子器件長(zhǎng)期以來(lái)一直主導(dǎo)著電力電子行業(yè)，因?yàn)樗鼈兊募夹g(shù)成熟度和相對(duì)容易獲得。然而，碳化硅（SiC）襯底由于其主要的內(nèi)在優(yōu)勢(shì)而最近獲得了關(guān)注，這與最近的行業(yè)趨勢(shì)非常吻合。這種寬帶隙（WBG）半導(dǎo)體不僅可以處理比硅半導(dǎo)體大得多的能量密度，而且還具有高功率轉(zhuǎn)換效率和大導(dǎo)熱性-這些因素在需要高度節(jié)能和快速充電的電池應(yīng)用中尤其重要。

本文是兩部分系列文章的一部分，該系列文章討論了車載充電器（OBC）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮因素，以及SiC相對(duì)于硅在OBC方面的優(yōu)勢(shì)，重點(diǎn)是雙向充電器。在Si和SiC OBC的參考設(shè)計(jì)比較中詳細(xì)介紹了在OBC中實(shí)施SiC優(yōu)于Si的實(shí)際優(yōu)勢(shì)，并進(jìn)行了成本節(jié)約分析和系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)細(xì)分。

為什么選擇碳化硅？

SiC已經(jīng)滲透到無(wú)數(shù)的電力電子應(yīng)用中，包括電源、太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換、其他可再生能源的功率轉(zhuǎn)換以及工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的逆變器。該WBG半導(dǎo)體具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以服務(wù)于從低功率器件到高功率系統(tǒng)的功率譜上的大部分應(yīng)用，因?yàn)樗哂信R界電場(chǎng)（2.2×106 V/cm）、電子速度、熔點(diǎn)（300°C）和熱導(dǎo)率（4.9 W/cmK）的獨(dú)特組合。

在晶體管層面，這導(dǎo)致低導(dǎo)通電阻（R（DS）on），從而降低傳導(dǎo)損耗，進(jìn)而允許大電流應(yīng)用。相對(duì)于硅基絕緣柵雙極晶體管（IGBT）而言，器件電容更低，可在高開關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)低開關(guān)損耗，具有更小的濾波器、無(wú)源元件和整體更簡(jiǎn)單的熱管理系統(tǒng)。

SiC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)，從基礎(chǔ)晶圓開發(fā)到已安裝SiC設(shè)備的設(shè)計(jì)和支持。表1詳細(xì)介紹了碳化硅的優(yōu)勢(shì)以及利用在碳化硅方面的專業(yè)知識(shí)時(shí)的復(fù)合效益。

這些理想的品質(zhì)推動(dòng)了基于SiC的AC/DC和DC/DC轉(zhuǎn)換器在低功耗到高功率電動(dòng)汽車（EV）應(yīng)用中的使用。對(duì)于電動(dòng)自行車、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV）、插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（PHEV）和各種電池電動(dòng)汽車（BEV），包括通勤車和商用卡車等電動(dòng)汽車中使用的OBC尤其如此。對(duì)于超過(guò)3.3 kW的高功率OBC系統(tǒng)尤其如此，該系統(tǒng)用于更快地為EV電池充電。這樣做的好處包括簡(jiǎn)化充電過(guò)程，并使這項(xiàng)技術(shù)對(duì)習(xí)慣于內(nèi)燃機(jī)或ICE（通過(guò)減輕里程焦慮的負(fù)面影響）的消費(fèi)者來(lái)說(shuō)更容易接受。

由于這些原因，充電時(shí)間和充電后的有效車輛續(xù)航里程是汽車制造商的關(guān)鍵參數(shù)——這兩個(gè)因素取決于電池尺寸和額定充電功率。這些充電功率范圍從3.3 kW和6.6 kW的低功率單相系統(tǒng)到高功率11kW和22kW系統(tǒng)。圖1顯示了0.100 kW、3.3 kW、6 kW和6 kW OBC的典型車輛類型、電池尺寸、11%至22%充電時(shí)間以及競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)。

車輛類型從通勤車BEV到更大、更高性能的BEV，如電動(dòng)卡車。如圖所示，即使充電功率超過(guò)3×，大容量車輛可能仍然具有更大的0%至100%充電時(shí)間。這使得OBC對(duì)于大功率系統(tǒng)特別有效;也就是說(shuō)，浪費(fèi)的功率更少，充電速度更快。

除了OBC效率之外，成本、重量和尺寸等參數(shù)至關(guān)重要，因?yàn)楦　⒏p的OBC可以更容易地在車輛中實(shí)施，通常空間預(yù)算緊張。此外，消費(fèi)者和OEM的OBC成本直接影響制造商的資本支出/底線以及消費(fèi)者的可訪問(wèn)性。為了保持競(jìng)爭(zhēng)力，OBC必須幫助電動(dòng)汽車滿足基于內(nèi)燃機(jī)的車輛的價(jià)格點(diǎn)。

22kW雙向OBC設(shè)計(jì)：硅與碳化硅樣品設(shè)計(jì)

雙向功率流的優(yōu)勢(shì)！

正如我們之前在單向OBC設(shè)計(jì)文章中所述，由于省略了二極管損耗，雙向充電器本質(zhì)上可以實(shí)現(xiàn)比單向設(shè)計(jì)更高的效率。單向DC/DC模塊包括使用維也納PFC二極管，而單向LLC諧振轉(zhuǎn)換器通過(guò)二極管橋完成輸出整流。圖2顯示了單相雙向OBC的典型骨架——全橋整流器已被低損耗SiC MOSFET取代，以消除整流二極管正向壓降造成的損耗。這反過(guò)來(lái)又降低了功耗，從而簡(jiǎn)化了熱管理要求。

雖然亞太地區(qū)（APAC）正在引領(lǐng)電動(dòng)汽車的雙向充電計(jì)劃，但采用雙向OBC的總體趨勢(shì)是更高的系統(tǒng)效率以及V2其他應(yīng)用的潛力，包括車到戶（V2H）發(fā)電，車輛到電網(wǎng)（V2G）機(jī)會(huì)和車對(duì)車（V2V）充電用例（例如快速啟動(dòng)另一輛電動(dòng)汽車）。

在SiC組件和系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)方面擁有30多年的經(jīng)驗(yàn)，有助于降低設(shè)計(jì)人員在下一個(gè)OBC中使用非常理想的基于SiC的組件的障礙。廣泛的碳化硅功率器件、碳化硅系統(tǒng)和專業(yè)知識(shí)相結(jié)合，可以快速開發(fā)在現(xiàn)場(chǎng)可靠運(yùn)行的穩(wěn)健設(shè)計(jì)拓?fù)?。產(chǎn)品組合中已經(jīng)提供了完整的雙向OBC以及單獨(dú)的AC/DC和DC/DC級(jí)。這包括系統(tǒng)效率為6%的6.97 kW雙向OBC和可實(shí)現(xiàn)高達(dá)22.98%效率的6 kW雙向OBC AC/DC和DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊。

從完整的產(chǎn)品組合到詳盡的工程和應(yīng)用支持，以及在線仿真平臺(tái)和行業(yè)專家，為SiC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供了全面的基礎(chǔ)。這擴(kuò)展到基于SiC的OBC，其中OEM可以在下一個(gè)設(shè)計(jì)中利用非常理想的方面，同時(shí)降低成本，將BOM成本和效率設(shè)計(jì)的節(jié)省傳遞給客戶。

審核編輯：劉清