碳化硅功率器件在车载充电机OBC中的应用

图1：电动汽车充电方式

电动汽车充电可分为交流充电与直流充电两种，交流充电“慢充”是交流充电桩将电网中的单相交流电220V或三相交流电380V供给安装在车辆内部的车载充电机，由其将交流电转换为直流电为动力电池充电。

而直流充电“快充”是利用外部的“直流充电桩”直接为动力电池充电，不需要使用车载充电机。

与直流充电桩建设成本高、占地面积大且需要配备大型变压器满足配电需求相比，交流充电桩有建设成本低、占地面积小且对配电要求较低的优势，所以使用场景更为广泛，更适合私家场合使用。

正因为如此，几乎每台电动汽车乘用车都需配备一台车载充电机，以满足大众广泛的交流充电需求。

在目前电动汽车400V、600V电压平台的架构下，车载充电机的输出功率多为3.3kW和6.6kW，而为了满足800V架构下的充电需求，11kW、22kW的车载充电机已被研发生产并将在未来成为主流功率。

为了实现电动汽车快速双向充电，充电桩、电池和OBC都进行了技术改进。充电桩向着大功率、高电压、双向、宽范围等特点快速发展；电池朝着高电压（400V→800V）、大功率等需求升级；同时车载充电机在大功率、新功能、多合一及新材料等方面也取得了很大的进步，正在朝着双向充放电、智能化、集成化等方向发展。目前车载充电机（OBC）主要有以下几种方式，如表1：

从功率上来看，目前3.3kW和6.6 kW产品是主流。在输出电压上，弗迪动力、威迈斯等公司的OBC产品已经逐步配套800V整车了。另外随着企业的竞争越演越烈，国内已经在OBC上导入SiC功率器件，比如威迈斯、英搏尔、欣锐科技等公司均发布了基于碳化硅的OBC产品方案。

车载充电机（OBC）一般采用两级架构（如图2），前级PFC主要负责功率因数校正，一般输出400V直流电。后级DC/DC电路从PFC母线取电，实现隔离和调压功能。由于DC/DC所接负载为电池，一般输出200-500V的高压直流电，故后级必须采用高效率宽范围的隔离DC/DC拓扑结构。

图2：两级OBC拓扑结构

PFC电路中较为常见的拓扑是Boost升压拓扑，分为传统有桥Boost PFC、交错并联Boost PFC、无桥Boost PFC、双无桥Boost PFC、图腾柱Boost PFC等。

（1）传统有桥Boost PFC（如图3）：当Q1导通时，正半周期导通路径为D1、L1、Q1、D4，负半周期导通路径为D2、L1、Q1、D3；当Q1关断时，正半周期导通路径为D1、L1、D5、Rd、D4，负半周期导通路径为D2、L1、D5、Rd、D3。在每个状态下，导通开关器件的数量均为3个，其优势在于电路拓扑好控制都很简单，但是仅存在一个Q1开关器件，其电压、电流应力非常大，很难用于大功率场合。

（2）交错并联Boost PFC（如图4）：由两个相同的Boost PFC变换器并联而成，该拓扑电路可以使得PFC的电感减少。通过控制两个功率电感电流交错180°反相，可降低输入输出的电流纹波，减少EMI滤波器的体积。该拓扑在其他控制和功率走路方向和传统的有桥一样，只是增加了开关器件数量。

图4：交错并联Boost PFC

（3）无桥Boost PFC（如图5）：将有桥PFC的整流桥移除，减少了开关器件的数量。正半周工作，当Q1关断时，功率链路为L1、D1、Rd、Q2、L2；当Q1开通时，功率链路为L1、Q1、Q2、L2。负半周工作，当Q2关断时，功率链路为L2、D2、Rd、Q1、L1；Q2开通时，功率链路为L2、Q2、Q1、L1。与传统的有桥PFC相比，导通路径上的开关器件减少了，这有利于提升系统的效率。对自带反并联二极管的开关器件来说，Q1Q2可以共用一个驱动信号。该拓扑结构控制简单，但是电流采样困难。且输出的直流电压的端点是浮地的，产生的共模干扰会被隔离，所以电路中会有很严重的EMI问题。

图5：无桥Boost PFC

（4）双无桥Boost PFC（如图6）：相较无桥PFC电路，双无桥PFC在EMI方面进行了改善。正半周工作，当Q1关断时，功率链路为L1、D1、Rd、D4；Q1开通时，功率链路为L1、Q1、D4。负半周工作，当Q2关断时，功率链路为L2、D2、Rd、D3；Q2开通时，功率链路为L2、Q2、D3。其控制方式和基本的无桥PFC类似。增加的二极管大大降低了电路的干扰，但是系统成本增加了。

（5）图腾柱Boost PFC（如图7）：可以解决无桥PFC的EMI问题。正半周工作，当Q1关断，Q2导通时，功率链路为L、Q2、D2；Q2关断，Q1导通时，功率链路为L、Q1、Rd、D2。负半周工作，当Q1关断，Q2导通时，功率链路为D1、Rd、Q2、L；当Q1导通，Q2关断时，功率链路为D1、Q1、L。该拓朴控制复杂，上管的驱动需要浮地，设计难度大，成本增加，而且Q1Q2存在反向恢复问题，容易增加电路损耗。

DC/DC变换器的电路拓扑类型主要有Buck、Boost、Buck-Boost、移相全桥、谐振变换器等电路拓扑，而隔离型DC/DC变换器在功率等级、电气安全等方面更适合OBC的应用需求。常见的隔离性DC/DC变换器拓扑结构主要有移相全桥、双有源桥电路、LLC谐振电路等。

(1)移相全桥电路（如图8）：可以实现最低零电压的宽范围电压输出，其超前臂Q1Q3的驱动信号有着180°的相位差，滞后臂Q2Q4的驱动信号分别与Q1Q3滞后一定相位，控制驱动信号之间的相位角不同，可以使得变压器漏感和开关管结电容进行谐振，开关管的软开关得以实现。缺点是由于变压器漏感的存在，副边会出现占空比丢失现象，副边二极管容易出现电压尖峰；另外该拓扑的输出需要的LC滤波器会造成电路体积增大，同时会导致损耗增加。

(2)双有源桥电路（如图9）：通过原副边移相来控制能量的流动方向和大小，可以实现零电压开通，经常应用于大功率场合的双向DC/DC变换器，该拓扑电路功率密度高、效率高、能双向传输功率，被广泛应用于电动汽车、航天航空等领域。

(3)LLC谐振电路(如图10)：可以实现软开关，且可以在较窄的频率范围内实现较大的调压范围。具有良好的切载特性，加上变压器的漏感可以复用为励磁电感，所以磁元件的空间小，可以提高变换器的功率密度，效率高及EMI小。

图10：LLC谐振电路

为实现复杂的充放电需求，OBC的电路拓扑愈发复杂。这一方面增加了漏电故障的可能性，一方面也使漏电流波形成分更加复杂。传统的AC/A型漏电流保护器只能检测交流和脉动直流漏电，无法对OBC产生的复杂电流进行全方位保护，比如直流分量。故必须采用B型漏电流保护器来检测车载充电机充电过程中产生的电流。B型保护器不仅能识别到正弦交流信号，还能对脉动直流信号和平滑信号起到保护，是电动汽车、车载充电机、充电桩的最佳安全保护装置。

从QC/T 895-2011《电动汽车用传导式车载电动机》标准引导电路图可知：供电设备内安装的漏电流保护器对整个系统充电起到关键作用，不可轻视。