车载充电器材料选择比较：碳化硅与IGBT
作者：Adam Kimmel
车载充电器 (OBC) 解决了电动汽车 (EV) 的一个重要问题。它们将来自电网的交流电转换为适合电池充电的直流电，从而实现电动汽车充电。随着每年上市的电动汽车设计、架构和尺寸越来越丰富，车载充电器的实施也变得越来越复杂。
另外，随着行业开始青睐更高电压的电池以实现更快充电，双向充电变得越来越普遍，系统设计师在车载充电器的拓扑和材料使用上也面临着关键选择。本博客将简单介绍车载充电器，并比较其备选材料。
车载充电器简介
随着全球CO2排放标准持续收紧，充电量的需求超过了直流快速充电桩（3级）的供应能力，车载充电器应运而生。车载充电器由几个主要部件组成，如下图1所示：
图1：车载充电系统的框图。（图源：onsemi）
来自电网的交流电通过电磁干扰 (EMI) 滤波器消除外部“噪音”，并防止车载充电器向电网发出噪音。然后，电力进入车载充电器两个主要阶段中的第一个，即功率因数校正 (PFC) 阶段。PFC阶段将交流电转换为直流电，同时显著降低输入电压和电流波形的相位失真。这一步产生大于0.9的功率因数，以尽量减少注入电网的无功功率。然后，电流进入一个隔离式DC-DC转换器，使输出电压和电流与电池的充电状态相匹配，从而在输入和输出之间实现电流隔离。
PFC拓扑和材料
车载充电器可以使用多种PFC拓扑，具体取决于AC输入的相数以及电网提供给车载充电器的输出功率。单相AC输入通常使用传统的升压或图腾柱配置。对于双向设计，PFC将采用图腾柱配置。工程师可以将图腾柱PFC配置为单相或三相运行，从而实现单向或双向充电。
传统的升压PFC
传统的升压PFC易于实现，EMI噪声低，通过交错相位提供可扩展的功率。二极管的使用可以降低复杂性，但会影响效率。传统PFC极适合单相交流输入车载充电器的单向充电。这种拓扑的理想器件选项是超级结 (SJ) MOSFET、绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 和碳化硅 (SiC) 二极管。
无桥升压PFC
无桥升压PFC也适用于单相车载充电器，且不会像传统的升压PFC那样出现桥路损耗。不过，非活动MOSFET的二极管会降低功率校正的有效性，从而影响其对车载充电器的实用性。
图腾柱PFC
传统的升压PFC虽然成本低廉，但效率较低，而图腾柱无桥PFC虽然成本较高，但效率也是商用选项中极高的。在快桥臂上使用宽禁带 (WBG) 器件可实现高效率，特别是在连续导通模式 (CCM) 和三角导通模式 (TCM) 下。图腾柱PFC支持电力的双向流动，但实现起来比较复杂。图腾柱无桥PFC的器件选项包括适合CCM的SiC MOSFET（快桥臂）和IGBT（慢桥臂）以及适合TCM模式的Si MOSFET。
SiC与IGBT的应用场景
新型电动汽车充电系统的可变功率需求为工程师创造了利用半导体器件提升系统效率或降低成本的机会。下面介绍了车载充电器的几种PFC材料选项。
SiC MOSFET
SiC MOSFET是一种坚固耐用的材料，适用于各种功率级和拓扑，是豪华或高性能电动汽车中高效车载充电器的理想选择。这些应用以及其他需要高开关频率和低损耗的应用，可通过更出色的热管理实现快速充电。与IGBT或Si SJ MOSFET相比，SiC MOSFET具有更高的效率和功率密度，因此推荐将其用于800V电池系统的PFC、初级侧DC-DC和次级侧整流（双向）。
IGBT
IGBT适用于大多数400V PFC拓扑和DC-DC级。尽管在11kW和22kW时损耗较高，性能不如SiC，但在成本敏感的中档电动汽车应用以及成本效益优先的低开关频率应用中，IGBT表现不错。
Si SJ MOSFET
这些器件的适用范围较窄，主要适合7.2kW功率水平以下的升压和无桥升压。在11kW和22kW功率级上添加维也纳 (Vienna) 设计可以提高这些应用的性能。SiC SJ MOSFET适用于400V电池系统的PFC和DC-DC级。
一般来说，SiC MOSFET和IGBT是追求性能与设计灵活性的系统的优选。
SiC与IGBT对比分析
SiC MOSFET在高电压和高频率下具有更出色的效率，由于功率损耗较低，因此非常适合需要高效率和紧凑设计的应用。而且这些器件具有卓越的性能，能够使800V电动汽车满足对高功率和高效率有苛刻要求的应用。
不过，对于成本效益比系统效率更重要的应用来说，IGBT更有机会。因为IGBT能为400V电动汽车提供足够的次级侧性能，让系统制造商拥有成本优势。
结语
车载充电器将来自电网的交流电转换为适合电池充电的直流电，而电池充电在充电总量中占据了绝大比例。为车载充电器选择合适的材料和拓扑对于优化充电性能和效率至关重要。不同的拓扑和材料各有优缺点，因此设计人员必须选择极佳应用方案。SiC MOSFET对于高效率、高电压的应用至关重要，而IGBT则为低电压系统提供了经济高效的替代方案。通过了解不同组件的利弊和使用案例，设计人员可以做出明智的决定，从而提高电动汽车充电解决方案的整体性能。
从SiC MOSFET到电路保护，onsemi的车载充电解决方案包含可靠、稳健的车载充电器设计所需的全部组件。
