還有其他類型的三相 PFC，例如 T 型 PFC，它是一種三電平轉(zhuǎn)換器。三電平轉(zhuǎn)換器的好處是開關(guān)損耗更低，電感器尺寸更小。然而，想要獲得這些好處，將會增加系統(tǒng)復(fù)雜性、更多的器件數(shù)量、更高的總成本和轉(zhuǎn)換器的總體尺寸。因此，圖 3 所示的基本二電平三相 PFC 轉(zhuǎn)換器，是三相雙向 OBC 最常用的拓?fù)洹?/p>

#4

DC/DC 轉(zhuǎn)換器模塊

單向 OBC 中的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器通常是 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器，但這是一種單向拓?fù)?，在反向工作模式下，轉(zhuǎn)換器的電壓增益受到限制，從而降低了其性能。因此，圖 4 中的雙向 CLLC 諧振轉(zhuǎn)換器更適合 DC/DC 級，因為它在充電和放電模式下都結(jié)合了高效率和寬輸出電壓范圍。

▲ 圖 4：雙向 CLLC DCDC 轉(zhuǎn)換器

在電動汽車 OBC 應(yīng)用中，CLLC 采用軟開關(guān)來提高效率，采用初級側(cè)的零電壓開通（ZVS），次級側(cè) ZVS + ZCS 開關(guān)相結(jié)合。

另一種常見的雙向 DCDC 轉(zhuǎn)換器拓?fù)涫请p有源橋（DAB）。DAB 的操作非常簡單，通過移相調(diào)節(jié)輸出。然而，它的 ZVS 范圍有限，并且由于 DAB 關(guān)斷電流高于 CLLC，因此其開關(guān)損耗高于 CLLC。因此，總的來說，DAB 的效率低于 CLLC。另一方面，CLLC 中諧振電路的設(shè)計更為復(fù)雜。

#5

SiC 的諸多優(yōu)點

SiC 因其獨特的高臨界電場、高電子漂移速度、高溫和高導(dǎo)熱性組合，而成為大功率系統(tǒng)的首選。在晶體管級別上，其具備低導(dǎo)通電阻（RDS(on)）和低開關(guān)損耗，使其成為大電流高壓應(yīng)用的理想選擇。

除了 SiC，大功率設(shè)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(yīng)用，Si MOSFET 是不切實際的。Si MOSFET 體二極管的反向恢復(fù)，導(dǎo)致連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下高功率損耗，因此其使用僅限于非連續(xù)模式操作和低功率應(yīng)用。相比之下，SiC MOSFET 允許圖騰柱 PFC 在 CCM 中運行，以實現(xiàn)高效率、低 EMI 和更高的功率密度。對于額定電壓，Si MOSFET 在 650 V 的電壓下，具有良好的RDS(on)性能。對于 1200 V，Si MOSFET 的RDS(on)對于這種大功率應(yīng)用來說太高了。

與 IGBT 相比，SiC MOSFET 也具有優(yōu)勢。IGBT 體二極管可以使用超快速二極管代替。但 IGBT 的最大開關(guān)頻率由于其高開關(guān)損耗而受到限制。與 SiC 解決方案相比，低開關(guān)頻率增加了磁性器件和無源組件的重量和尺寸。

#6

中功率雙向 OBC 架構(gòu)（<6.6 kW）

中功率 OBC 通常采用單相 120 V 或 240 V 輸入和 400 VDC 母線運行。拓?fù)涫菃蜗鄨D騰柱 PFC，后面跟著 CLLC DCDC 轉(zhuǎn)換器，如圖 5 所示。

▲ 圖 5：使用 SiC 和圖騰柱 PFC 的高效 OBC 架構(gòu)

對于 6.6 kW，PFC 中每個位置可采用兩個 60 mΩ MOSFET 并聯(lián)（例如 Wolfspeed E3M0060065K）或用一個25 mΩ MOSFET，DCDC 中每個位置可采用一個 60 mΩ（E3M0060065K），或一個45 mΩ MOSFET（E3M0045065K）。下表總結(jié)了這種雙向 OBC 設(shè)計的器件選擇。

▲ 表 1：高效雙向 OBC 架構(gòu)（3.3 - 6.6 kW）的

MOSFET 選擇

Wolfspeed 團(tuán)隊基于圖 5 中的架構(gòu)設(shè)計了一個 6.6 kW OBC 參考設(shè)計，以展示 SiC MOSFET 在此應(yīng)用中的性能和實際用途。

該表顯示了相關(guān)的需求。

▲ 表 2：6.6 kW 雙向 OBC 參考設(shè)計規(guī)格

可在線找到 Wolfspeed 的 6.6 kW 高功率密度雙向 OBC 參考設(shè)計的詳細(xì)信息。

#7

更高功率的雙向 OBC 設(shè)計（11 kW / 22 kW）

在 11 kW 或 22 kW 等更高功率水平下，電池電壓可以是 400 V 或 800 V，但如前所述，目前市場則正朝著 800 V 發(fā)展。圖 6 顯示了高功率三相雙向 OBC 的系統(tǒng)框圖。

▲ 圖 6：高功率三相雙向 OBC 系統(tǒng)框圖

該設(shè)計可兼容 400 V 或 800 V 電池。

11 kW 設(shè)計可以將 75 mΩ 1200 V MOSFET（例如 Wolfspeed E3M0075120K）用于 PFC 和 CLLC 轉(zhuǎn)換器的初級側(cè)。在次級側(cè)，800V 電池應(yīng)用使用與初級相同的 75 mΩ MOSFET。40 mΩ 1200 V MOSFET 可用于高性能應(yīng)用，對于 400 V 電池應(yīng)用，可以選擇四個 650 V 25 mΩ MOSFET 作為次級側(cè)。

22 kW 的設(shè)計與 11 kW OBC 的設(shè)計相似，但更高的功率輸出需要更低的RDS(on)器件，可用一個 32 mΩ 1200 V MOSFET 用于 PFC 和 DCDC 的初級側(cè)。同樣地，次級側(cè)既可以將相同的初級側(cè)器件用于 800 V 母線應(yīng)用，也可以在 400 V 應(yīng)用使用 650 V 15 mΩ 來替代。

表 3 總結(jié)了大功率三相設(shè)計的器件選擇。

▲ 表 3：11 kW 和 22 kW 雙向 OBC 的 MOSFET 選擇

Wolfspeed 為三相雙向 OBC 設(shè)計了兩種參考設(shè)計，一種用于 22 kW 三相 PFC，一種用于 22 kW DCDC，下表顯示了對大功率 22 kW OBC 的要求。OBC 設(shè)計實現(xiàn)了大于 96% 的整體效率，充電和放電模式的 DC/DC 峰值效率大于 98.5%。有關(guān)三相 22 kW PFC 和 22 kW DC/DC 的更多詳細(xì)信息，請訪問 Wolfspeed 網(wǎng)站。

▲ 表 4：用于雙向 OBC 的

22 kW 三相 PFC 和 DCDC 的高端規(guī)格

#8

22 kW 基于 SiC 的參考設(shè)計

兼容單相輸入和三相輸入

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(biāo)準(zhǔn)的單相 240 V。在這種情況下，設(shè)計需要大功率的 22 kW OBC，它可以同時兼容單相和三相以減少 OBC 的數(shù)量。第四條橋臂被添加到傳統(tǒng)的三相 PFC 中，這樣設(shè)計人員就可以對單相輸入使用交錯技術(shù)。圖 7 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 PFC 的高頻橋臂通過 32 mΩ 1200 V SiC MOSFET 提供 6.6 kW 的功率。低頻橋臂可以使用兩個 Si IGBT 來降低成本。當(dāng)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 7：用于 22 kW 單相設(shè)計的交錯式圖騰柱 PFC

#9

22 kW 雙向 OBC 中比較 SiC 與 Si

在雙向 OBC 中，基于 SiC 的解決方案在成本、尺寸、重量、功率密度和效率所有相關(guān)方面，都優(yōu)于基于 Si 的解決方案。例如，在（為什么在新一代雙向車載充電機設(shè)計中選擇 SiC 而非 Si？）中詳細(xì)的比較表明，22 kW 雙向 OBC（圖 6 中所示）基于 SiC 的解決方案需要 14個 功率器件和 14個 柵極驅(qū)動器，基于 Si 的設(shè)計需要 22 個功率器件和 22 個柵極驅(qū)動器。

在比較性能時，SiC 設(shè)計實現(xiàn)了 97% 的效率和 3 kW/L 的功率密度，而 Si 設(shè)計效率為 95% 和 2 kW/L 的功率密度。

最后，從系統(tǒng)成本中表明，基于 Si 的解決方案比 SiC 設(shè)計高出約 18%。6.6 kW 的對比也展現(xiàn)了 SiC 設(shè)計的優(yōu)越性。

與 Si 設(shè)計相比，這些優(yōu)勢使 SiC 系統(tǒng)節(jié)省的凈壽命約 550 美元。

#10

關(guān)于 Wolfspeed SiC 器件

雙向功能是電動汽車 OBC 設(shè)計的新趨勢，Wolfspeed SiC MOSFET 通過提供具有低導(dǎo)通電阻、低輸出電容和低源極電感的器件，完美融合了低開關(guān)損耗和低導(dǎo)通損耗，從而解決了許多電源設(shè)計挑戰(zhàn)。與基于 Si 的解決方案相比，Wolfspeed SiC 功率器件技術(shù)能夠提高系統(tǒng)功率密度、更高的開關(guān)頻率、減少組件數(shù)量，以及減少電感、電容、濾波器和變壓器等組件的尺寸，并潛在地降低系統(tǒng)成本。

本文回顧了 6.6 kW 和 22 kW OBC 應(yīng)用的雙向設(shè)計，并概述了通過切換到基于 SiC 的解決方案可以獲得的性能優(yōu)勢和成本節(jié)約。




審核編輯：劉清