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車載充電器 (OBC) 解決了電動(dòng)汽車 (EV) 的一個(gè)重要問題。它們將來自電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為適合電池充電的直流電，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車充電。隨著每年上市的電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)、架構(gòu)和尺寸越來越豐富，車載充電器的實(shí)施也變得越來越復(fù)雜。
另外，隨著行業(yè)開始青睞更高電壓的電池以實(shí)現(xiàn)更快充電，雙向充電變得越來越普遍，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師在車載充電器的拓?fù)浜筒牧鲜褂蒙弦裁媾R著關(guān)鍵選擇。本博客將簡(jiǎn)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(jiǎn)介
隨著全球CO2排放標(biāo)準(zhǔn)持續(xù)收緊，充電量的需求超過了直流快速充電樁（3級(jí)）的供應(yīng)能力，車載充電器應(yīng)運(yùn)而生。車載充電器由幾個(gè)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(jìn)入車載充電器兩個(gè)主要階段中的第一個(gè)，即功率因數(shù)校正 (PFC) 階段。PFC階段將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，同時(shí)顯著降低輸入電壓和電流波形的相位失真。這一步產(chǎn)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(jìn)入一個(gè)隔離式DC-DC轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)電流隔離。
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PFC拓?fù)浜筒牧?/strong>
車載充電器可以使用多種PFC拓?fù)洌唧w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(duì)于雙向設(shè)計(jì)，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(yùn)行，從而實(shí)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(shí)現(xiàn)，EMI噪聲低，通過交錯(cuò)相位提供可擴(kuò)展的功率。二極管的使用可以降低復(fù)雜性，但會(huì)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?fù)涞睦硐肫骷x項(xiàng)是超級(jí)結(jié) (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(huì)像傳統(tǒng)的升壓PFC那樣出現(xiàn)橋路損耗。不過，非活動(dòng)MOSFET的二極管會(huì)降低功率校正的有效性，從而影響其對(duì)車載充電器的實(shí)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(xiàng)中極高的。在快橋臂上使用寬禁帶 (WBG) 器件可實(shí)現(xiàn)高效率，特別是在連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 和三角導(dǎo)通模式 (TCM) 下。圖騰柱PFC支持電力的雙向流動(dòng)，但實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜。圖騰柱無橋PFC的器件選項(xiàng)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(yīng)用場(chǎng)景
新型電動(dòng)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(dǎo)體器件提升系統(tǒng)效率或降低成本的機(jī)會(huì)。下面介紹了車載充電器的幾種PFC材料選項(xiàng)。
#01、SiC MOSFET
SiC MOSFET是一種堅(jiān)固耐用的材料，適用于各種功率級(jí)和拓?fù)?，是豪華或高性能電動(dòng)汽車中高效車載充電器的理想選擇。這些應(yīng)用以及其他需要高開關(guān)頻率和低損耗的應(yīng)用，可通過更出色的熱管理實(shí)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(jí)側(cè)DC-DC和次級(jí)側(cè)整流（雙向）。
#02、IGBT
IGBT適用于大多數(shù)400V PFC拓?fù)浜虳C-DC級(jí)。盡管在11kW和22kW時(shí)損耗較高，性能不如SiC，但在成本敏感的中檔電動(dòng)汽車應(yīng)用以及成本效益優(yōu)先的低開關(guān)頻率應(yīng)用中，IGBT表現(xiàn)不錯(cuò)。
#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(jí)上添加維也納 (Vienna) 設(shè)計(jì)可以提高這些應(yīng)用的性能。SiC SJ MOSFET適用于400V電池系統(tǒng)的PFC和DC-DC級(jí)。
一般來說，SiC MOSFET和IGBT是追求性能與設(shè)計(jì)靈活性的系統(tǒng)的優(yōu)選。
#04、SiC與IGBT對(duì)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(shè)計(jì)的應(yīng)用。而且這些器件具有卓越的性能，能夠使800V電動(dòng)汽車滿足對(duì)高功率和高效率有苛刻要求的應(yīng)用。
不過，對(duì)于成本效益比系統(tǒng)效率更重要的應(yīng)用來說，IGBT更有機(jī)會(huì)。因?yàn)镮GBT能為400V電動(dòng)汽車提供足夠的次級(jí)側(cè)性能，讓系統(tǒng)制造商擁有成本優(yōu)勢(shì)。
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結(jié)語
車載充電器將來自電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)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?fù)鋵?duì)于優(yōu)化充電性能和效率至關(guān)重要。不同的拓?fù)浜筒牧细饔袃?yōu)缺點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)人員必須選擇極佳應(yīng)用方案。SiC MOSFET對(duì)于高效率、高電壓的應(yīng)用至關(guān)重要，而IGBT則為低電壓系統(tǒng)提供了經(jīng)濟(jì)高效的替代方案。通過了解不同組件的利弊和使用案例，設(shè)計(jì)人員可以做出明智的決定，從而提高電動(dòng)汽車充電解決方案的整體性能。
從SiC MOSFET到電路保護(hù)，onsemi的車載充電解決方案包含可靠、穩(wěn)健的車載充電器設(shè)計(jì)所需的全部組件。
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