電動汽車車載充電機（On Board Charger，OBC）可以根據功率水平和功能采取多種形式，充電功率從微型電動汽車應用中的2KW，到高端電動汽車中的22KW不等。 通常車載充電機是單向的，但近年來，雙向充電越來越受關注，本文將討論碳化硅（SiC）在中功率6.6KW和高功率11~22KW雙向車載充電機中的優勢。

隨著純電動汽車市場份額的不斷增加，動力電池的裝機容量也在增加，消費者還要求為大容量電池提供更快的充電時間，這種需求也促使電池的工作電壓從400V增加到800V。 擁有足夠電池容量的電動汽車將有可能充當儲能系統，實現各種車到其他用電設備的供電場景，比如車輛到家庭、車輛到電網和車輛到車輛充電等，因此OBC正在從單向拓撲向雙向拓撲轉變，電動汽車未來采用雙向OBC是一種普遍趨勢。

圖1：雙向OBC使用案例

電動汽車車載充電機設計需要高功率密度和高轉換效率，以充分利用有限可用的整車空間并最小化體積和重量。雙向OBC前端是由一個雙向AC-DC轉換器組成，通常是一個功率因數校正PFC電路或有源前端AFE電路，后端則是一個隔離型的雙向DC-DC轉換器。

01. PFC或AFE模塊

在輸入端，傳統的PFC升壓轉換器是使用最廣泛的單向拓撲，但它不支持雙向操作，而圖騰柱PFC不僅支持雙向操作，還可以通過消除橋式整流器級來提高效率，將傳導路徑中的半導體器件數量從三個減少到兩個。

圖2：從傳統升壓拓撲(a)更改為圖騰柱PFC(b)

圖騰柱PFC包含兩個以上不同頻率工作的半橋，高頻橋臂進行升壓和整流，以提高頻率切換，低頻橋臂主要對輸入電壓進行整流，在50-60Hz的頻率下切換。

02. DC/DC轉換器模塊

單向車載充電機中的DC/DC轉換器通常是LLC諧振轉換器，但這是一種單向拓撲，在反向工作模式下，轉換器的電壓增益受到限制，從而降低了其性能。因此，圖3中的雙向CLLC諧振轉換汽車更適合雙向OBC的DC/DC級，它在充電和放電模式下都具備高效率和寬電壓范圍。

圖3：雙向CLLC DCDC轉換器

在電動汽車車載充電機應用中，CLLC諧振轉換器采用軟開關來提高效率，初級側采用零電壓開通（ZVS），次級側采用ZVS+ZCS相結合。

03. SiC的優點

碳化硅SiC因其獨特的高臨界電場、高電子漂移速度、高溫和高導熱性組合，而成為大功率OBC的首選器件，在晶體管級別上，SiC具備低導通電阻和低開關損耗，使其成為大電流高壓應用的理想選擇。

除了SiC，大功率設計中的有源器件還有另外兩種選擇，包括硅Si MOSFET和IGBT，對于圖騰柱PFC中的高功率應用，Si MOSFET二極管的反向恢復，導致連續導通模式下高功率損耗，因此其使用僅限于非連續模式操作和低功率應用。

相比之下，SiC MOSFET允許圖騰柱PFC在連續導通模式下運行，以實現高效率、低EMI和更高的功率密度。

04. 中功率6.6KW雙向OBC架構

中功率雙向OBC通常采用單相120V或240V輸入和400Vdc母線運行，拓撲前級是單相圖騰柱PFC，后級是CLLC DC/DC轉換器，如圖4所示。

圖4：使用SiC和圖騰柱PFC的高效OBC架構

對于6.6KW雙向OBC，PFC中可采用兩個60mΩ MOSFET并聯或用一個25mΩ MOSFET，DCDC中可采用一個60mΩ或一個45mΩ MOSFET，下表總結了這種雙向OBC設計的器件選擇。

表1：3.3KW和6.6KW雙向OBC的MOSFET選擇

05. 高功率11KW或22KW雙向OBC設計

在11KW或22KW等更高功率水平下，電池電壓可以是400V或800V，目前市場正朝著800V高壓平臺發展，圖5顯示了高功率三相雙向OBC的系統框圖，該設計可兼容400V或800V電池。

圖5：高功率三相雙向OBC系統框圖

11KW雙向OBC設計可以將75mΩ 1200V MOSFET用于PFC和CLLC轉換器的初級側，在次級側，800V電池應用使用與初級相同的75mΩ MOSFET，40mΩ 1200V MOSFET可用于高性能應用，對于400V電池應用，可以選擇四個650V 25mΩ MOSFET作為次級側。

22KW的設計與11KW雙向OBC的設計相似，但更高的功率輸出需要更低的RDS（on）器件，可用一個32mΩ 1200V MOSFET用于PFC和DCDC的初級側，同樣次級側既可以將相同的初級側器件用于800V母線應用。表2總結了三相大功率OBC設計的器件選擇。

表2：11KW和22KW雙向OBC的MOSFET選擇

在許多歐洲家庭中，三相電源很容易獲得，但典型的美國家庭、亞洲和南美家庭只有標準的單相240V，這種情況下，大功率22KW雙向OBC需同時兼容單相和三相輸入，設計人員可以對單相輸入使用交錯技術，把第四條橋臂添加到傳統的三相PFC中。

圖6顯示了一個交錯式圖騰柱PFC，它具有三個高頻橋臂和第四個低頻橋臂，每個高頻橋臂通過32mΩ 1200V SiC MOSFET提供6.6KW的功率，低頻橋臂可以使用兩個Si或IGBT來降低成本，當三相可用時，該電路可以自動重新配置為三相工作，使第四條橋臂懸空不用。

圖6：用于22KW單相OBC設計的交錯式圖騰柱PFC

在雙向OBC中，基于SiC的解決方案在成本、尺寸、重量、功率密度和效率等相關方面，都優于基于Si的解決方案。

例如，22KW雙向OBC基于SiC的解決方案需要14個功率器件和14個柵極驅動器，基于Si的設計需要22個功率器件和22個柵極驅動器。在比較性能時，SiC設計實現了97%的效率和3KW/L的功率密度，而Si設計效率為95%和2KW/L的功率密度。

車載充電機是電動汽車必要的裝機部件，迪龍新能源科技河北有限公司通過采用具有低導通電阻、低輸出電容和低源極電感的SiC器件，完美融合了低開關損耗和低導通損耗，提高了公司OBC產品的功率密度和轉換效率，擁有更高的開關頻率，減少了組件數量，以及減少了電感、電容、濾波器和變壓器等組件的尺寸，降低了OBC的成本。

審核編輯：劉清