更嚴(yán)格的二氧化碳排放標(biāo)準(zhǔn)以及不斷變化的公眾和企業(yè)意見正在加速全球電動(dòng)汽車 (EV) 的發(fā)展。這將在未來幾年為車載充電器 (OBC)帶來巨大的增長(zhǎng)，根據(jù) 2024 日歷年的最新趨勢(shì)，預(yù)計(jì)復(fù)合年增長(zhǎng)率 (CAGR(TAM)) 為 37.6% 或更高。對(duì)于正在設(shè)計(jì) OBC 模塊的全球汽車而言，提高系統(tǒng)效率或定義新的高度可靠的拓?fù)湟殉蔀榫o迫的挑戰(zhàn)。

用于單相輸入交流系統(tǒng)（圖 1）的簡(jiǎn)單功率因數(shù)校正 (PFC) 拓?fù)涫莻鹘y(tǒng)的單通道升壓轉(zhuǎn)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(fù)載功率因數(shù)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?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是易于設(shè)計(jì)、實(shí)施成本低和性能可靠。然而，二極管橋式整流器的傳導(dǎo)損耗是不可避免的，這將不支持允許車輛向交流電網(wǎng)供電的雙向操作。

圖 1 傳統(tǒng) PFC

該模擬數(shù)據(jù)（圖2）表明該輸入二極管橋占主導(dǎo)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(tǒng)效率，研究了不同的 PFC 拓?fù)洌▊鹘y(tǒng) 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(shù)量減少、傳導(dǎo)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(fù)特性較差，傳統(tǒng)的硅 (Si) MOSFET 很難在圖騰柱 PFC 拓?fù)渲械倪B續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 下工作。碳化硅 (SiC) MOSFET 采用全新技術(shù)，與 Si MOSFET 相比，可提供卓越的開關(guān)性能、最短的反向恢復(fù)時(shí)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(shè)計(jì) OBC 的另一個(gè)挑戰(zhàn)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(shè)計(jì)滿足機(jī)械尺寸要求同時(shí)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(dāng)前用于 OBC 的技術(shù)在功率、尺寸和效率之間的權(quán)衡，但 SiC 正在打破這些設(shè)計(jì)障礙。使用具有更高開關(guān)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(dá)到他們以前的電感器紋波電流要求。

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

新發(fā)布的用于 OBC 評(píng)估板的 6.6kW 圖騰柱 PFC 為多通道交錯(cuò)式無橋圖騰柱 PFC 拓?fù)涮峁┝藚⒖荚O(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)由一個(gè)隔離式大電流、高效率 IGBT 驅(qū)動(dòng)器 (NCV57000DWR2G) 和每個(gè)高速支路中的兩個(gè)高性能 SiC MOSFET (NVHL060N090SC1) 組成。此外，低速支路使用兩個(gè) 650V N 溝道功率 MOSFET SUPERFET? III (NVHL025N65S3) 器件，由單片高端和低端柵極驅(qū)動(dòng)器 IC (FAN7191_F085) 控制。

圖 4. 6.6kW 交錯(cuò)圖騰柱 PFC 評(píng)估板

通過以圖騰柱拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)配置這些高性能 SiC MOSFET，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn) 97% 的效率（典型值）。該設(shè)計(jì)包括硬件過流保護(hù) (OCP)、硬件過壓保護(hù) (OVP) 和輔助配電系統(tǒng)（非隔離），無需另一個(gè)直流電源即可為 PFC 板和控制板上的每個(gè)電路供電。提供靈活的控制接口，以適應(yīng)多種控制板。

圖 5. 6.6kW 交錯(cuò)圖騰柱 PFC 評(píng)估板框圖