让新能源汽车大功率车载充电机走进现实的SiC 器件

时间： 2016-03-11 来源：世强作者：Richard

技术问答

随着节能减排和绿色能源的兴起，未来汽车发展的趋势必然是：电气化、智能化及信息化。而汽车电气化首先要解决的问题是能量的存储及补充。与传统汽车加油方式的不同，电动汽车的能量补给方式是依靠对能量存储单元——动力电池补充足够的电能量来实现的，因此，电能补给方式的高效、安全和便捷对于电动汽车的普及至关重要。

车电动汽能量补给方式有很多，主要有换电和充电两种方式。充电式按照充电机所处的位置可分为车载充电和非车载充电（充电桩），即人们通常所说的慢充和快充。按照充电设备与电动汽车的接触方式又可分为传导式和感应式。慢充充电所依赖的基础设施成本较低，用普通的家用插座就可以进行充电。对于私家车主来说，慢充充电不仅方便，而且也有利于延长电池的使用寿命，但缺点是充电时间过长。而电动汽车整车厂对于车载充电机的期望则通常是：低成本、小尺寸、重量轻、高效率、高寿命、高可靠性和高安全性。

车载充电机是指固定安装在电动汽车上的充电机，具有为电动汽车动力电池安全、自动充满电的能力，充电机可依据电池管理系统（BMS）提供的数据，能动态调节充电电流或电压参数，执行相应的动作，完成充电过程。

电动汽车充电时间长是其发展的一大障碍，随着人们对快速充电的需求越来越高，大功率车载充电机将是未来的一个发展趋势。然而，对于大功率车载充电机来说，体积、效率和散热是一个必须要面对的挑战。

通常，对于车载充电机，一般会采用AC-DC加DC-DC的技术方案，并根据功率大小的不同，采用单相交流电输入或三相交流电输入。一般来说，对于小于10KW功率的车载充电机，可采用单相或三相交流电输入，其AC-DC转换可采用全波整流加PFC升压电路的拓扑结构，如图1所示。也可采用两路PFC升压电路交错并联来提高开关频率和增加功率。

图1：功率二极管全波整流加PFC升压电路拓扑结构

这里，影响AC-DC转换的体积、效率和散热等关键因数，主要取决于PFC电路的开关频率及器件特性，开关频率越高，电感L和电容C的取值就可以越小，其体积也可越小，工作电压越高，其工作电流就越小，导通损耗也就越小，功率效率就会越高。功率开关管和功率二极管的导通损耗和开关损耗越小、反向漏电流和反向恢复时间越小，开关频率就可以做的越高，反向耐压越高，工作电压选择就可越高，功率效率也就越高，散热也就越好。

至于DC-DC转换可采用LLC串联谐振半桥或LLC串联谐振全桥电路拓扑结构。如图2所示。

图2：LLC串联谐振全桥电路拓扑结构

这里，影响DC-DC转换的体积、效率和散热等关键因数，主要取决于LLC电路的开关频率及器件特性，开关频率越高，电感L和电容C的取值就可以越小，其体积也可越小，工作电压越高，其工作电流就越小，导通损耗也就越小，功率效率就会越高。功率开关管和功率二极管的导通损耗和开关损耗越小、反向漏电流和反向恢复时间越小，开关频率就可以做的越高，反向耐压越高，工作电压选择就可越高，功率效率也就越高，散热也就越好。

对于大于10KW功率的车载充电机，可采用三相交流电输入，其AC-DC转换可采用三相三电平维也纳电路拓扑结构，如图3所示。或者三相PWM同步整流器电路拓扑结构，如图4所示。

图3：三相三电平维也纳电路拓扑结构

图4：三相PWM同步整流器电路拓扑结构

其DC-DC转换同样可采用LCC串联谐振全桥或移相全桥电路拓扑结构，如图5所示。

图5：三电平LLC串联谐振全桥和二电平串联谐振全桥电路拓扑结构

同样的，影响AC-DC转换和DC-DC转换的体积、效率和散热等关键因数，主要取决于AC-DC和DC-DC电路的开关频率及器件特性，开关频率越高，电感L和电容C的取值就可以越小，其体积也可越小，工作电压越高，其工作电流就越小，导通损耗也就越小，功率效率就会越高。功率开关管和功率二极管的导通损耗和开关损耗越小、反向漏电流和反向恢复时间越小，开关频率就可以做的越高，反向耐压越高，工作电压选择就可越高，功率效率也就越高，散热也就越好。

因此，对于大功率车载充电机来说，减小设备体积、提高功率效率和满足散热要求的关键，是如何正确选择功率开关管和功率二极管。而选择功率开关管和功率二极管的主要器件特性包括：

1）导通损耗（或导通电阻）

2）开关损耗

3）反向漏电流和反向恢复时间

4）反向耐压

5）温度特性

与传统的基于硅（SI）技术的功率器件如IGBT和MOSFET及肖特基二极管相比，基于碳化硅（SIC）技术的功率开关管和功率二极管，其以上的器件特性都得到了很大的提高，或者简单地来说，基于碳化硅的功率器件特别适合高频、高压和高温的工作环境、车载充电机选用基于碳化硅的功率器件将是天作之合。Cree是碳化硅技术全球领先的厂商，可提供碳化硅晶圆、功率二极管、功率MOSFET管和功率模块，这里，我们没有一一列举Cree基于碳化硅功率器件的具体型号和参数，有兴趣的工程师可游览世强先进的网页或用手机下载我们的APP进行查阅和下载相关内容。

电动汽车是未来汽车行业发展的趋势，随着技术越来越成熟、成本越来越低、基础设施越来越完善，电动汽车时代离我们将越来越近。车载充电机作为电动汽车关键的零部件之一，对于电动汽车的普及将起到至关重要的作用。

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用户79080794用户 Lv7. 资深专家 2018-11-15

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