硅（Si）基電力電子器件長期以來一直主導著電力電子行業(yè)，因為它們的技術(shù)成熟度和相對容易獲得。然而，碳化硅（SiC）襯底由于其主要的內(nèi)在優(yōu)勢而最近獲得了關(guān)注，這與最近的行業(yè)趨勢非常吻合。這種寬帶隙（WBG）半導體不僅可以處理比硅半導體大得多的能量密度，而且還具有高功率轉(zhuǎn)換效率和大導熱性-這些因素在需要高度節(jié)能和快速充電的電池應用中尤其重要。

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)計考慮因素，以及SiC相對于硅在OBC方面的優(yōu)勢，重點是雙向充電器。在Si和SiC OBC的參考設(shè)計比較中詳細介紹了在OBC中實施SiC優(yōu)于Si的實際優(yōu)勢，并進行了成本節(jié)約分析和系統(tǒng)優(yōu)勢細分。

為什么選擇碳化硅？

SiC已經(jīng)滲透到無數(shù)的電力電子應用中，包括電源、太陽能轉(zhuǎn)換、其他可再生能源的功率轉(zhuǎn)換以及工業(yè)電機驅(qū)動器的逆變器。該WBG半導體具有獨特的優(yōu)勢，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用，因為它具有臨界電場（2.2×106 V/cm）、電子速度、熔點（300°C）和熱導率（4.9 W/cmK）的獨特組合。

在晶體管層面，這導致低導通電阻（R（DS）on），從而降低傳導損耗，進而允許大電流應用。相對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)頻率下實現(xiàn)低開關(guān)損耗，具有更小的濾波器、無源元件和整體更簡單的熱管理系統(tǒng)。

SiC系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)，從基礎(chǔ)晶圓開發(fā)到已安裝SiC設(shè)備的設(shè)計和支持。表1詳細介紹了碳化硅的優(yōu)勢以及利用在碳化硅方面的專業(yè)知識時的復合效益。

這些理想的品質(zhì)推動了基于SiC的AC/DC和DC/DC轉(zhuǎn)換器在低功耗到高功率電動汽車（EV）應用中的使用。對于電動自行車、混合動力電動汽車（HEV）、插電式混合動力電動汽車（PHEV）和各種電池電動汽車（BEV），包括通勤車和商用卡車等電動汽車中使用的OBC尤其如此。對于超過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化充電過程，并使這項技術(shù)對習慣于內(nèi)燃機或ICE（通過減輕里程焦慮的負面影響）的消費者來說更容易接受。

由于這些原因，充電時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%充電時間以及競爭技術(shù)。

車輛類型從通勤車BEV到更大、更高性能的BEV，如電動卡車。如圖所示，即使充電功率超過3×，大容量車輛可能仍然具有更大的0%至100%充電時間。這使得OBC對于大功率系統(tǒng)特別有效;也就是說，浪費的功率更少，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，因為更小、更輕的OBC可以更容易地在車輛中實施，通常空間預算緊張。此外，消費者和OEM的OBC成本直接影響制造商的資本支出/底線以及消費者的可訪問性。為了保持競爭力，OBC必須幫助電動汽車滿足基于內(nèi)燃機的車輛的價格點。

22kW雙向OBC設(shè)計：硅與碳化硅樣品設(shè)計

雙向功率流的優(yōu)勢！

正如我們之前在單向OBC設(shè)計文章中所述，由于省略了二極管損耗，雙向充電器本質(zhì)上可以實現(xiàn)比單向設(shè)計更高的效率。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。這反過來又降低了功耗，從而簡化了熱管理要求。

雖然亞太地區(qū)（APAC）正在引領(lǐng)電動汽車的雙向充電計劃，但采用雙向OBC的總體趨勢是更高的系統(tǒng)效率以及V2其他應用的潛力，包括車到戶（V2H）發(fā)電，車輛到電網(wǎng)（V2G）機會和車對車（V2V）充電用例（例如快速啟動另一輛電動汽車）。

在SiC組件和系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)方面擁有30多年的經(jīng)驗，有助于降低設(shè)計人員在下一個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)知識相結(jié)合，可以快速開發(fā)在現(xiàn)場可靠運行的穩(wěn)健設(shè)計拓撲。產(chǎn)品組合中已經(jīng)提供了完整的雙向OBC以及單獨的AC/DC和DC/DC級。這包括系統(tǒng)效率為6%的6.97 kW雙向OBC和可實現(xiàn)高達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用支持，以及在線仿真平臺和行業(yè)專家，為SiC系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)提供了全面的基礎(chǔ)。這擴展到基于SiC的OBC，其中OEM可以在下一個設(shè)計中利用非常理想的方面，同時降低成本，將BOM成本和效率設(shè)計的節(jié)省傳遞給客戶。

審核編輯：劉清