EV 車載充電器 （OBC） 使 EV 能夠在任何有交流電源的地方充電。根據功率水平和功能，它可以采取多種形式。充電功率從電動滑板車等應用中的不到 2 kW 到高端 EV 的 22 kW 不等。傳統上，充電功率是單向的。一個新的趨勢是在OBC中添加雙向功能，以便電動汽車可以成為移動儲能系統。本文將僅關注單向 OBC，并討論碳化硅 （SiC） 在 2 kW 以上高功率應用中的優勢。

電網提供的交流電壓和電流對 OBC 設計施加了限制。美國的標準家用插座可提供高達 1.92 kW（120 VAC，15 A）的功率，而 208 或 240 VAC 美國分相系統可提供高達 19.2 kW 的功率，具體取決于分支斷路器的容量。歐盟的標準家用電壓為 230 VAC，并提供三相公用設施。

圖 1 顯示了低功耗、中功率和高功率 OBC 的典型用途。在印度和中國，低功率 OBC 在電動自行車和低功耗電動汽車中很受歡迎。目前，中等功率市場（2~7.4 kW）是歐美許多常見電池電動汽車最流行的中功率OBC使用單相交流電，并為約400 V的電動汽車電池充電，但隨著對長續航的需求不斷增加，市場趨向于800 V電池，具有11 kW和22 kW更高功率的三相OBC;在給定的功率水平下，它們提供更快的充電時間和更低的電流。

無論電網功率如何，AC-DC OBC 中的主要構建模塊都是功率因數校正 （PFC） 模塊和 DC/DC 轉換器。主要的設計權衡是在功率密度、效率和成本之間。本文分解了每個功率級別，并討論了每個類別的器件選擇。碳化硅MOSFET和二極管可以提供比硅器件更好的效率和功率密度。SiC 的主要機會在于中高功率 （>3 kW） OBC。

低功耗 OBC 架構 （<2 kW）

在最低端市場，當成本是最高優先級時，硅（Si）MOSFET和二極管是首選，盡管與高功率應用的SiC相比，它們具有缺點。圖2顯示了一個升壓PFC和一個半橋LLC轉換器;這種組合在低功耗成本敏感型 OBC 應用中很受歡迎。通常，這種架構從單相60 V/120 VAC電源提供相對低壓的電池（<240 V），可實現~93%的峰值系統效率。

圖 2：用于 2 kW 以下低功耗設計的傳統硅基 OBC 架構

中等功率成本敏感型 OBC 架構 （3.3–7.4 kW）

對于中等功耗架構，設計人員可以在成本敏感型和高效率選項之間進行選擇。中等功率成本敏感型設計（圖 3）使用與以前相同的 PFC 拓撲結構，但用全橋設計取代半橋 LLC DC/DC 轉換器，以支持 400V 電池。電池電壓越高，輸出整流器的功率損耗可以降低。因此，效率比上面討論的低功耗OBC有所提高，峰值效率為~94%。

圖 3：基于 Si 的 OBC 架構，適用于對成本敏感的中等功率 3.3–7.4 kW

硅MOSFET仍將在低成本設計的有源開關插座中占主導地位。在這種低成本設計中，SiC的主要機會是PFC中的SiC二極管，圖5中的D3位置。SiC 二極管的零反向恢復電流使 SiC 能夠取代 Si 快速二極管。

由于LLC的軟開關拓撲，輸出側的600 V Si二極管就足夠了。在這種情況下，Vf比開關性能更重要。

這種低成本設計的器件選擇如表1所示。

表 1：低成本 OBC 架構的二極管選擇 （3.3–7.4 kW）

中等功率高效 OBC 架構 （3.3–7.4 kW）

傳統PFC中的二極管橋會浪費功率，因此高效架構將其替換為圖騰柱PFC。 圖騰柱PFC通過將傳導路徑中的半導體器件數量從三個減少到兩個來提高效率。圖騰柱PFC一直是許多理論研究的主題，但由于Si MOSFET體二極管的換向，Si MOSFET將其使用限制在臨界導通模式（CRM）操作和低功耗應用中。SiC MOSFET 允許在連續導通模式 （CCM） 下工作，以實現高效率、低 EMI 和高功率密度。圖騰柱PFC現在在高效設計中被普遍接受，如圖4所示。

圖 4：使用 SiC 和圖騰柱 PFC 的高效 OBC 架構

高效中等功率設計（圖 4）可實現 >98.5% 的峰值 AC/DC 效率。整體系統峰值效率約為96%。

例如，對于 3.3 kW 設計，PFC 級可以使用 60 mΩ、650 V 碳化硅 MOSFET。DC/DC 側可以使用四個這樣的器件，輸出端有硅二極管。對于 6.6 kW 設計，可以在 PFC 級中并聯使用兩對 60 mΩ、650 V SiC MOSFET，或一對 25 mΩ 器件。

表2總結了這種高效設計的器件選擇。

表 2：高效 OBC 架構的 MOSFET 選擇 （3.3–7.4 kW）

更高功率的 OBC 設計

在更高的功率水平（例如11 kW或22 kW）下，電池電壓可以是400 V或800 V，但如前所述，市場正朝著800 V的方向發展，從高性能車輛開始。

大功率設計采用三相電源;PFC 和 DC/DC 級的效率均為 >98%，總體效率為 ~96% 至 97%。通過并聯組合三種單相 11.400 kW 設計，可以為 3 V 總線產生 7 kW OBC;功率密度將比從頭開始的方法更低，成本也會更高，但重用現有設計可能會縮短上市時間。在800 V總線下采用優化的三相設計將獲得最佳結果，如圖5所示的架構。維也納整流器因其高效率、CCM 操作、三電平開關和降低功率器件上的電壓應力而成為三相功率校正的熱門選擇。

圖 5：采用 11V 總線的三相 800 kW 設計的維也納 PFC + LLC 架構

在全碳化硅設計中，11 kW 維也納整流器使用 3 個 E0060065M4K 碳化硅 MOSFET 和 20120 個 E1D200H 二極管。二極管是 650，400 V 器件;MOSFET 可以是 <> V 器件，因為由于 Vienna 整流器的三電平開關，它們只能看到總線電壓的一半 （<> V）。

全橋LLC在輸出端使用四個1，200 V SiC MOSFET和四個1，200 V SiC二極管。800 V 總線需要 1，200 V SiC MOSFET，頻率為 75 mΩ 或 40 mΩ RDS（on）;1，200 V Si MOSFET在此應用中沒有競爭力，SiC輸出二極管由于其更低的壓降和更好的開關性能而優于相應的Si器件。

對于 22 kW OBC，可以使用三個并聯的 7.4 kW OBC，但同樣，基于帶有 SiC MOSFET 和 SiC 二極管的維也納整流器的解決方案是更好的方法。該設計與圖11中的5 kW OBC設計類似，但更高的功率輸出需要在PFC和DCDC中安裝25個較低R的DS（on）MOSFET（<> mΩ RDS（on））和<>個更高額定電流的SiC二極管。

大功率三相設計的器件選擇如表3所示。

表 3：11 至 22kW OBC 的 MOSFET 和二極管選擇

摘要：碳化硅與硅的應用

在 OBC 中，SiC 在效率和功率密度方面提供的性能比 Si 器件好得多。OBC 設計人員何時應考慮使用 SiC 器件而不是 Si？下表提供了摘要。

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審核編輯：郭婷