如何提高汽車車載充電系統效率或定義新高度拓撲

更嚴格的二氧化碳排放標準以及不斷變化的公眾和企業意見正在加速全球電動汽車 (EV) 的發展。這將在未來幾年為車載充電器 (OBC)帶來巨大的增長，根據 2024 日歷年的最新趨勢，預計復合年增長率 (CAGR(TAM)) 為 37.6% 或更高。對于正在設計 OBC 模塊的全球汽車而言，提高系統效率或定義新的高度可靠的拓撲已成為緊迫的挑戰。

用于單相輸入交流系統（圖 1）的簡單功率因數校正 (PFC) 拓撲是傳統的單通道升壓轉換器。該解決方案包含用于輸入交流整流的二極管全橋和用于提高負載功率因數的 PFC 控制器，從而提高效率并減少施加在交流輸入電源上的諧波。這種流行的 PFC 升壓拓撲的優點是易于設計、實施成本低和性能可靠。然而，二極管橋式整流器的傳導損耗是不可避免的，這將不支持允許車輛向交流電網供電的雙向操作。

圖 1 傳統 PFC

該模擬數據（圖2）表明該輸入二極管橋占主導地位的過在PFC塊中的所有其它成分的損失的功率損失。

圖 2 PFC 中的功率損耗分布

為了提高 OBC 系統效率，研究了不同的 PFC 拓撲，包括傳統 PFC、半無橋 PFC、雙向無橋 PFC 和圖騰柱無橋 PFC。其中，圖騰柱 PFC（圖 3）因其元件數量減少、傳導損耗低和效率高而越來越受歡迎。

圖 3 無橋圖騰柱 PFC

由于體二極管的反向恢復特性較差，傳統的硅 (Si) MOSFET 很難在圖騰柱 PFC 拓撲中的連續導通模式 (CCM) 下工作。碳化硅 (SiC) MOSFET 采用全新技術，與 Si MOSFET 相比，可提供卓越的開關性能、最短的反向恢復時間、低 RDS(on)和更高的可靠性。此外，緊湊的芯片尺寸確保了器件的低電容和低柵極電荷 (QG)。

設計 OBC 的另一個挑戰是車輛中為模塊分配的空間有限。隨著功率要求和電池電壓的增加，設計滿足機械尺寸要求同時提供所需輸出功率的 OBC 變得越來越困難。工程師不得不忍受當前用于 OBC 的技術在功率、尺寸和效率之間的權衡，但 SiC 正在打破這些設計障礙。使用具有更高開關頻率的 SiC 的工程師可以使用更小的電感器，并且仍然可以達到他們以前的電感器紋波電流要求。

在 OBC 系統中使用 SiC MOSFET 的好處是能夠以更高的頻率進行開關、增加功率密度、提高效率、改善 EMI 性能和減小系統尺寸?，F在 SiC 已廣泛使用，工程師可以在他們的設計中使用圖騰柱 PFC 來提高性能。

新發布的用于 OBC 評估板的 6.6kW 圖騰柱 PFC 為多通道交錯式無橋圖騰柱 PFC 拓撲提供了參考設計。該設計由一個隔離式大電流、高效率 IGBT 驅動器 (NCV57000DWR2G) 和每個高速支路中的兩個高性能 SiC MOSFET (NVHL060N090SC1) 組成。此外，低速支路使用兩個 650V N 溝道功率 MOSFET SUPERFET? III (NVHL025N65S3) 器件，由單片高端和低端柵極驅動器 IC (FAN7191_F085) 控制。

圖 4. 6.6kW 交錯圖騰柱 PFC 評估板

通過以圖騰柱拓撲結構配置這些高性能 SiC MOSFET，系統可實現 97% 的效率（典型值）。該設計包括硬件過流保護 (OCP)、硬件過壓保護 (OVP) 和輔助配電系統（非隔離），無需另一個直流電源即可為 PFC 板和控制板上的每個電路供電。提供靈活的控制接口，以適應多種控制板。

圖 5. 6.6kW 交錯圖騰柱 PFC 評估板框圖

編輯：hfy