【導讀】車載充電器 (OBC) 解決了電動汽車 (EV) 的一個重要問題。它們將來自電網的交流電轉換為適合電池充電的直流電，從而實現電動汽車充電。隨著每年上市的電動汽車設計、架構和尺寸越來越豐富，車載充電器的實施也變得越來越復雜。
車載充電器 (OBC) 解決了電動汽車 (EV) 的一個重要問題。它們將來自電網的交流電轉換為適合電池充電的直流電，從而實現電動汽車充電。隨著每年上市的電動汽車設計、架構和尺寸越來越豐富，車載充電器的實施也變得越來越復雜。
另外，隨著行業開始青睞更高電壓的電池以實現更快充電，雙向充電變得越來越普遍，系統設計師在車載充電器的拓撲和材料使用上也面臨著關鍵選擇。本博客將簡單介紹車載充電器，并比較其備選材料。
車載充電器簡介
隨著全球CO2排放標準持續收緊，充電量的需求超過了直流快速充電樁（3級）的供應能力，車載充電器應運而生。車載充電器由幾個主要部件組成，如下圖1所示：
圖1：車載充電系統的框圖。（圖源：onsemi）
來自電網的交流電通過電磁干擾 (EMI) 濾波器消除外部“噪音”，并防止車載充電器向電網發出噪音。然后，電力進入車載充電器兩個主要階段中的第一個，即功率因數校正 (PFC) 階段。PFC階段將交流電轉換為直流電，同時顯著降低輸入電壓和電流波形的相位失真。這一步產生大于0.9的功率因數，以盡量減少注入電網的無功功率。然后，電流進入一個隔離式DC-DC轉換器，使輸出電壓和電流與電池的充電狀態相匹配，從而在輸入和輸出之間實現電流隔離。
PFC拓撲和材料
車載充電器可以使用多種PFC拓撲，具體取決于AC輸入的相數以及電網提供給車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，從而實現單向或雙向充電。
傳統的升壓PFC
傳統的升壓PFC易于實現，EMI噪聲低，通過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，但會影響效率。傳統PFC極適合單相交流輸入車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。
無橋升壓PFC
無橋升壓PFC也適用于單相車載充電器，且不會像傳統的升壓PFC那樣出現橋路損耗。不過，非活動MOSFET的二極管會降低功率校正的有效性，從而影響其對車載充電器的實用性。
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，但實現起來比較復雜。圖騰柱無橋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的應用場景
新型電動汽車充電系統的可變功率需求為工程師創造了利用半導體器件提升系統效率或降低成本的機會。下面介紹了車載充電器的幾種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汽車中高效車載充電器的理想選擇。這些應用以及其他需要高開關頻率和低損耗的應用，可通過更出色的熱管理實現快速充電。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時損耗較高，性能不如SiC，但在成本敏感的中檔電動汽車應用以及成本效益優先的低開關頻率應用中，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。
一般來說，SiC MOSFET和IGBT是追求性能與設計靈活性的系統的優選。
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電動汽車滿足對高功率和高效率有苛刻要求的應用。
不過，對于成本效益比系統效率更重要的應用來說，IGBT更有機會。因為IGBT能為400V電動汽車提供足夠的次級側性能，讓系統制造商擁有成本優勢。
結語
車載充電器將來自電網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。為車載充電器選擇合適的材料和拓撲對于優化充電性能和效率至關重要。不同的拓撲和材料各有優缺點，因此設計人員必須選擇極佳應用方案。SiC MOSFET對于高效率、高電壓的應用至關重要，而IGBT則為低電壓系統提供了經濟高效的替代方案。通過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，從而提高電動汽車充電解決方案的整體性能。
從SiC MOSFET到電路保護，onsemi的車載充電解決方案包含可靠、穩健的車載充電器設計所需的全部組件。
（作者：Adam Kimmel）
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