車載充電器材料選擇比較：碳化硅與IGBT

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(wǎng)的交流電轉換為適合電池充電的直流電，從而實現(xiàn)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(yè)開始青睞更高電壓的電池以實現(xiàn)更快充電，雙向充電變得越來越普遍，系統(tǒng)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。

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車載充電器簡介

隨著全球CO2排放標準持續(xù)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(tǒng)的框圖。（圖源：onsemi）

來自電網(wǎng)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(wǎng)發(fā)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(shù)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(shù)，以盡量減少注入電網(wǎng)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(tài)相匹配，從而在輸入和輸出之間實現(xiàn)電流隔離。

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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(shù)以及電網(wǎng)提供給車載充電器的輸出功率。單相AC輸入通常使用傳統(tǒng)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(xiàn)單向或雙向充電。

#01、傳統(tǒng)的升壓PFC

傳統(tǒng)的升壓PFC易于實現(xiàn)，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(tǒng)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。

#02、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(tǒng)的升壓PFC那樣出現(xiàn)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。

#03、圖騰柱PFC

傳統(tǒng)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(xiàn)高效率，特別是在連續(xù)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(xiàn)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。

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SiC與IGBT的應用場景

新型電動汽車充電系統(tǒng)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(tǒng)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。

#01、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(xiàn)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(tǒng)的PFC、初級側DC-DC和次級側整流（雙向）。

#02、IGBT

IGBT適用于大多數(shù)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(yōu)先的低開關頻率應用中，IGBT表現(xiàn)不錯。

#03、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(tǒng)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(tǒng)的優(yōu)選。

#04、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(tǒng)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(tǒng)制造商擁有成本優(yōu)勢。

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結語

車載充電器將來自電網(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(jù)了絕大比例。為車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重要。不同的拓撲和材料各有優(yōu)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(tǒng)提供了經(jīng)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(wěn)健的車載充電器設計所需的全部組件。

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