【導讀】車(chē)載充電器 (OBC) 解決了電動(dòng)汽車(chē) (EV) 的一個(gè)重要問(wèn)題。它們將來(lái)自電網(wǎng)的交流電轉換為適合電池充電的直流電，從而實(shí)現電動(dòng)汽車(chē)充電。隨著(zhù)每年上市的電動(dòng)汽車(chē)設計、架構和尺寸越來(lái)越豐富，車(chē)載充電器的實(shí)施也變得越來(lái)越復雜。
車(chē)載充電器 (OBC) 解決了電動(dòng)汽車(chē) (EV) 的一個(gè)重要問(wèn)題。它們將來(lái)自電網(wǎng)的交流電轉換為適合電池充電的直流電，從而實(shí)現電動(dòng)汽車(chē)充電。隨著(zhù)每年上市的電動(dòng)汽車(chē)設計、架構和尺寸越來(lái)越豐富，車(chē)載充電器的實(shí)施也變得越來(lái)越復雜。
另外，隨著(zhù)行業(yè)開(kāi)始青睞更高電壓的電池以實(shí)現更快充電，雙向充電變得越來(lái)越普遍，系統設計師在車(chē)載充電器的拓撲和材料使用上也面臨著(zhù)關(guān)鍵選擇。本博客將簡(jiǎn)單介紹車(chē)載充電器，并比較其備選材料。
車(chē)載充電器簡(jiǎn)介
隨著(zhù)全球CO2排放標準持續收緊，充電量的需求超過(guò)了直流快速充電樁（3級）的供應能力，車(chē)載充電器應運而生。車(chē)載充電器由幾個(gè)主要部件組成，如下圖1所示：
圖1：車(chē)載充電系統的框圖。（圖源：onsemi）
來(lái)自電網(wǎng)的交流電通過(guò)電磁干擾 (EMI) 濾波器消除外部“噪音”，并防止車(chē)載充電器向電網(wǎng)發(fā)出噪音。然后，電力進(jìn)入車(chē)載充電器兩個(gè)主要階段中的第一個(gè)，即功率因數校正 (PFC) 階段。PFC階段將交流電轉換為直流電，同時(shí)顯著(zhù)降低輸入電壓和電流波形的相位失真。這一步產(chǎn)生大于0.9的功率因數，以盡量減少注入電網(wǎng)的無(wú)功功率。然后，電流進(jìn)入一個(gè)隔離式DC-DC轉換器，使輸出電壓和電流與電池的充電狀態(tài)相匹配，從而在輸入和輸出之間實(shí)現電流隔離。
PFC拓撲和材料
車(chē)載充電器可以使用多種PFC拓撲，具體取決于A(yíng)C輸入的相數以及電網(wǎng)提供給車(chē)載充電器的輸出功率。單相AC輸入通常使用傳統的升壓或圖騰柱配置。對于雙向設計，PFC將采用圖騰柱配置。工程師可以將圖騰柱PFC配置為單相或三相運行，從而實(shí)現單向或雙向充電。
傳統的升壓PFC
傳統的升壓PFC易于實(shí)現，EMI噪聲低，通過(guò)交錯相位提供可擴展的功率。二極管的使用可以降低復雜性，但會(huì )影響效率。傳統PFC極適合單相交流輸入車(chē)載充電器的單向充電。這種拓撲的理想器件選項是超級結 (SJ) MOSFET、絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 和碳化硅 (SiC) 二極管。
無(wú)橋升壓PFC
無(wú)橋升壓PFC也適用于單相車(chē)載充電器，且不會(huì )像傳統的升壓PFC那樣出現橋路損耗。不過(guò)，非活動(dòng)MOSFET的二極管會(huì )降低功率校正的有效性，從而影響其對車(chē)載充電器的實(shí)用性。
圖騰柱PFC
傳統的升壓PFC雖然成本低廉，但效率較低，而圖騰柱無(wú)橋PFC雖然成本較高，但效率也是商用選項中極高的。在快橋臂上使用寬禁帶 (WBG) 器件可實(shí)現高效率，特別是在連續導通模式 (CCM) 和三角導通模式 (TCM) 下。圖騰柱PFC支持電力的雙向流動(dòng)，但實(shí)現起來(lái)比較復雜。圖騰柱無(wú)橋PFC的器件選項包括適合CCM的SiC MOSFET（快橋臂）和IGBT（慢橋臂）以及適合TCM模式的Si MOSFET。
SiC與IGBT的應用場(chǎng)景
新型電動(dòng)汽車(chē)充電系統的可變功率需求為工程師創(chuàng )造了利用半導體器件提升系統效率或降低成本的機會(huì )。下面介紹了車(chē)載充電器的幾種PFC材料選項。
SiC MOSFET
SiC MOSFET是一種堅固耐用的材料，適用于各種功率級和拓撲，是豪華或高性能電動(dòng)汽車(chē)中高效車(chē)載充電器的理想選擇。這些應用以及其他需要高開(kāi)關(guān)頻率和低損耗的應用，可通過(guò)更出色的熱管理實(shí)現快速充電。與IGBT或Si SJ MOSFET相比，SiC MOSFET具有更高的效率和功率密度，因此推薦將其用于800V電池系統的PFC、初級側DC-DC和次級側整流（雙向）。
IGBT
IGBT適用于大多數400V PFC拓撲和DC-DC級。盡管在11kW和22kW時(shí)損耗較高，性能不如SiC，但在成本敏感的中檔電動(dòng)汽車(chē)應用以及成本效益優(yōu)先的低開(kāi)關(guān)頻率應用中，IGBT表現不錯。
Si SJ MOSFET
這些器件的適用范圍較窄，主要適合7.2kW功率水平以下的升壓和無(wú)橋升壓。在11kW和22kW功率級上添加維也納 (Vienna) 設計可以提高這些應用的性能。SiC SJ MOSFET適用于400V電池系統的PFC和DC-DC級。
一般來(lái)說(shuō)，SiC MOSFET和IGBT是追求性能與設計靈活性的系統的優(yōu)選。
SiC與IGBT對比分析
SiC MOSFET在高電壓和高頻率下具有更出色的效率，由于功率損耗較低，因此非常適合需要高效率和緊湊設計的應用。而且這些器件具有卓越的性能，能夠使800V電動(dòng)汽車(chē)滿(mǎn)足對高功率和高效率有苛刻要求的應用。
不過(guò)，對于成本效益比系統效率更重要的應用來(lái)說(shuō)，IGBT更有機會(huì )。因為IGBT能為400V電動(dòng)汽車(chē)提供足夠的次級側性能，讓系統制造商擁有成本優(yōu)勢。
結語(yǔ)
車(chē)載充電器將來(lái)自電網(wǎng)的交流電轉換為適合電池充電的直流電，而電池充電在充電總量中占據了絕大比例。為車(chē)載充電器選擇合適的材料和拓撲對于優(yōu)化充電性能和效率至關(guān)重要。不同的拓撲和材料各有優(yōu)缺點(diǎn)，因此設計人員必須選擇極佳應用方案。SiC MOSFET對于高效率、高電壓的應用至關(guān)重要，而IGBT則為低電壓系統提供了經(jīng)濟高效的替代方案。通過(guò)了解不同組件的利弊和使用案例，設計人員可以做出明智的決定，從而提高電動(dòng)汽車(chē)充電解決方案的整體性能。
從SiC MOSFET到電路保護，onsemi的車(chē)載充電解決方案包含可靠、穩健的車(chē)載充電器設計所需的全部組件。
（作者：Adam Kimmel）
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