硅（Si）基電力電子器件長期以來一直主導著電力電子行業，因為它們的技術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在優勢而最近獲得了關注，這與最近的行業趨勢非常吻合。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換效率和大導熱性-這些因素在需要高度節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）系統的設計考慮因素，以及SiC相對于硅在OBC方面的優勢，重點是雙向充電器。在Si和SiC OBC的參考設計比較中詳細介紹了在OBC中實施SiC優于Si的實際優勢，并進行了成本節約分析和系統優勢細分。

為什么選擇碳化硅？

SiC已經滲透到無數的電力電子應用中，包括電源、太陽能轉換、其他可再生能源的功率轉換以及工業電機驅動器的逆變器。該WBG半導體具有獨特的優勢，可以服務于從低功率器件到高功率系統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，可在高開關頻率下實現低開關損耗，具有更小的濾波器、無源元件和整體更簡單的熱管理系統。

SiC系統的設計和開發，從基礎晶圓開發到已安裝SiC設備的設計和支持。表1詳細介紹了碳化硅的優勢以及利用在碳化硅方面的專業知識時的復合效益。

這些理想的品質推動了基于SiC的AC/DC和DC/DC轉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系統尤其如此，該系統用于更快地為EV電池充電。這樣做的好處包括簡化充電過程，并使這項技術對習慣于內燃機或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航里程是汽車制造商的關鍵參數——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的低功率單相系統到高功率11kW和22kW系統。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。

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、重量和尺寸等參數至關重要，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燃機的車輛的價格點。

22kW雙向OBC設計：硅與碳化硅樣品設計

雙向功率流的優勢！

正如我們之前在單向OBC設計文章中所述，由于省略了二極管損耗，雙向充電器本質上可以實現比單向設計更高的效率。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（APAC）正在引領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效率以及V2其他應用的潛力，包括車到戶（V2H）發電，車輛到電網（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組件和系統設計和開發方面擁有30多年的經驗，有助于降低設計人員在下一個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、碳化硅系統和專業知識相結合，可以快速開發在現場可靠運行的穩健設計拓撲。產品組合中已經提供了完整的雙向OBC以及單獨的AC/DC和DC/DC級。這包括系統效率為6%的6.97 kW雙向OBC和可實現高達22.98%效率的6 kW雙向OBC AC/DC和DC/DC轉換器模塊。

從完整的產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專家，為SiC系統的設計和開發提供了全面的基礎。這擴展到基于SiC的OBC，其中OEM可以在下一個設計中利用非常理想的方面，同時降低成本，將BOM成本和效率設計的節省傳遞給客戶。

審核編輯：劉清