硅 (Si) 基电力电子器件由于技术成熟且相对容易获得，长期以来一直主导着电力电子行业。然而，碳化硅 (SiC) 基底凭借其主要的内在优势，最近获得了不少关注，这与最近的行业趋势非常一致。这种宽带隙 (WBG) 半导体不仅能处理比硅半导体大得多的能量密度，还能提供高功率转换效率和高热传导，这些因素在需要高度省电和快速充电的电池应用中尤为关键。
本文是两篇文章系列的其中一篇，讨论车载充电器 (OBC) 系统的设计考虑因素，以及 SiC 相对于硅在 OBC 方面的优势，讨论侧重于双向充电器。在硅和 SiC OBC 的参考设计比较中，详细介绍了在 OBC 中实施 SiC 而不是硅的实际优势，并对系统优势进行了成本节约分析和细分。
为何选择 SiC？
SiC 已经渗透到无数电力电子应用中，包括电源、太阳能转换、其他可再生能源的电力转换以及工业电机驱动的逆变器。由于临界电场 (2.2×106 V/cm)、电子速度、熔点 (300°C) 和热传导 (4.9 W/cmK) 的独特组合，这种 WBG 半导体处于得天独厚的地位，可以服务于从低功率器件到高功率系统的大部分应用。在晶体管层面，这将导致低导通电阻 (R(DS)on)，从而降低传导损耗，进而支持大电流应用。相对于硅基绝缘栅双极晶体管 (IGBT)，较低的器件电容能够在高开关频率下实现低开关损耗，且滤波器、无源元件更小，热管理系统更简单。
Wolfspeed 专门从事 SiC 系统的设计和开发，从基础晶圆开发到已安装 SiC 设备的设计和支持。表 1 详细说明了 SiC 的优势以及利用 Wolfspeed 在 SiC 方面的专业知识带来的综合优势。
表 1
这些令人满意的品质推动了基于 SiC 的 AC/DC 和 DC/DC 转换器在低功率到高功率电动汽车应用 (EV) 中的使用。对于电动自行车、混合动力电动汽车 (HEV)、插电式混合动力电动汽车 (PHEV) 和包括通勤车和商用卡车在内的各种电池电动汽车 (BEV) 中使用的 OBC 而言尤其如此。对于超过 3.3 kW 的高功率 OBC 系统尤其如此，这种系统用于更快地为电动汽车电池充电。这样做的好处包括简化充电过程，并使这项技术对习惯于内燃机 (ICE) 的消费者来说更容易接受（通过减轻续航里程焦虑的负面影响）。
由于这些原因，充电时间和充电后的有效车辆里程是车辆制造商的关键参数，这两个因素取决于电池大小和额定充电功率。这些充电功率范围包括 3.3 kW 到 6.6 kW 的低功率单相系统以及 11 kW 和 22 kW 的高功率系统。图 1 显示了 3.3 kW、6.6 kW、11 kW 和 22 kW OBC 的典型车辆类型、电池尺寸、0% 至 100% 充电时间以及竞争技术。
图 1：包含 6.6 kW 和 22 kW OBC 的车辆类型、电池尺寸、0% 至 100% 充电时间以及竞争技术的比较
车辆类型包括通勤车 BEV 以及更大、性能更高的电动卡车等 BEV。如图所示，即使充电功率超过 3 倍，大容量车辆仍可能有较长的 0% 至 100% 充电时间。这使得 OBC 对高功率系统特别有效；也就是说，浪费的功率更少，并且获得充电的速度更快。
除 OBC 效率之外，为了让更小、更轻的 OBC 更容易在空间预算通常很紧张的车辆中实施，成本、重量和尺寸等参数至关重要。消费者和 OEM 的 OBC 成本直接影响到制造商的资本支出/利润以及消费者轻松购买的可能性。为了保持竞争力，OBC 必须帮助电动汽车满足内燃机车辆的价格点。
22kW 双向 OBC 设计：硅与 SiC 样品设计
双向功率流的优势
如早前单向 OBC 设计中所述，由于省略了二极管的损耗，双向充电器在本质上可以达到比单向设计更高的效率。单向 DC/DC 模块包括使用维也纳 PFC 二极管，而单向 LLC 谐振转换器通过二极管电桥完成输出整流。图 2 显示了单相双向 OBC 的典型框架 — 全桥整流器已被低损耗 SiC MOSFET 取代，以消除整流二极管正向压降造成的损耗。这反过来又降低了功率耗散，从而简化了热管理要求。
虽然亚太地区 (APAC) 在电动汽车双向充电举措方面处于领先地位，但由于其更高的系统效率以及车辆对其他应用的潜力，包括车辆对家庭 (V2H) 发电、车辆对电网 (V2G) 机会和车辆对车辆 (V2V) 充电使用案例（如跨接起动另一辆电动汽车），使用双向 OBC 是一种普遍趋势。
图 2：单相双向 OBC 的典型框架
22-kW 双向 OBC：硅与 SiC
如前面的图 1 所示，采用硅超结技术的硅基双向 OBC 和硅基 IGBT 是针对 SiC 双向 OBC 的主要竞争者。然而，本节阐述了 SiC 如何在所有相关方面（成本、尺寸、重量、功率密度、效率）超越这些技术。让我们先看看图 3，图 3 显示了基于硅和 SiC 的 22 kW 双向 OBC 的参考原理图，并排比较了功率器件和栅极驱动器的数量。
图 3：(A) 基于硅和 (B) 基于 SiC 的 22 kW 双向 OBC 的示意图
表 2 列出了第一个 AC/DC 图腾柱 PFC 级和第二个 DC/DC 双向 CLLC 谐振级的各自规格。从图片和表格中可以轻松看出，从硅设计到 SiC 设计，功率器件和栅极驱动器都减少了 30% 以上，开关频率增加了一倍以上。这导致功率转换系统的组件尺寸、重量和成本降低，同时以更高的效率运行。
表 2
22 kW 双向 OBC：硅与 SiC
在图 4 中进一步细分了成本节约，并对硅和 SiC 系统进行了系统成本细分。硅系统的成本比 SiC 多出将近 20%，这主要是由于 DC/DC 区块中存在相对大量的栅极驱动器和磁性元件。因此，虽然可以说基于 SiC 的分立功率器件比单独的硅基二极管和功率晶体管相对更贵，但在系统中使用时，SiC 器件的能力能够减少器件的使用，因此降低了支持各种功率器件功能所需的电路元件的成本。
除了节省成本之外，SiC 系统能够在 3 kW/L 的功率密度下产生 97% 的峰值系统效率，而硅 OBC 仅在 2 kW/L 的功率密度下实现 95% 的效率这种系统效率的提高可以为消费者每年平均节省 40 美元的能源费用。
图 4：SiC 和硅实施方案中 22 kW 双向 OBC 的系统成本明细
表 3 比较了 6.6 kW 和 22 kW 双向 OBC 的硅和 SiC 实施方案的成本、功率密度、运行成本节约和基于二氧化碳的节约。OBC 在功率谱上的位置越高，节约效果就越明显。6.6 kW 和 22 kW 基于 SiC 的双向 OBC 都具有较低的 BOM 成本，最终降低了 OEM 的系统成本。如果再加上运营方面的节约和 SiC 驱动的二氧化碳节约，这些节约就会对消费者产生潜移默化的影响，从而缩小与内燃机解决方案的价格差距，同时也有助于降低地球的排放。
表 3：SiC 系统优势
Wolfspeed 在 SiC 方面的专业知识
Wolfspeed 在 SiC 组件和系统的设计和开发方面有 30 多年的历史，因此有助于减少障碍，让设计师在下一款 OBC 采用非常理想的 SiC 组件。Wolfspeed 广泛的 SiC 功率器件选择、SiC 系统与专业知识相结合，使其能够快速开发在现场可靠运行的稳健设计拓扑。完整的双向 OBC 以及单独的 AC/DC 和 DC/DC 级已经在 Wolfspeed 的产品系列中提供。这包括一个 6.6 kW 的双向 OBC，系统效率为 97%，以及 22 kW 的双向 OBC AC/DC 和 DC/DC 转换器区块，效率高达 98.6%（图 5）。
图 5：Wolfspeed 基于 SiC 的 6.6 kW 和 22 kW 双向 OBC A/DC 和 DC/DC 区块
从完整的产品组合到拥有在线仿真平台和行业专家的详尽工程及应用支持，Wolfspeed 为 SiC 系统的设计和开发奠定了全面的基础。这包括基于 SiC 的 OBC，其中 OEMS 可以在下一个设计中利用非常可取的方面，同时削减成本，将 BOM 成本和效率设计实现的节约传递给客户。