【導讀】交流充電樁適合在家中或工作場所為電動汽車充電


，因為目前車載充電器的額定功率通常達到11千瓦，充滿電需要8~10小時。然而，對於假期等長途旅行，消費者希望在休息期間充電更快。

交流充電樁適合在家中或工作場所為電動汽車充電，因為目前車載充電器的額定功率通常達到11千瓦，充滿電需要8~10小時。然而，對於假期等長途旅行
，消費者希望在休息期間充電更快。

直流電動汽車充電樁具有交流轉直流、隔離直流轉直流的特點
，比交流充電樁具有更高的額定功率。使用分立器件的直流電動汽車充電子單元的額定功率目前為 11 kW-22 kW
，但在不久的將來將增加到 30 至 50 kW 範圍。

多個直流電動汽車充電子單元並聯可以將直流充電樁的額定功率從 120 kW 提高到 360 kW。使用這種直流充電樁，消費者可以在不到半小時的時間內將電池充電至80%的電量。由於快速充電的優勢和電動汽車的快速發展，直流電動汽車充電器市場近年來經曆了非凡的增長。

與此同時，該市場正在麵臨可靠性、效率和功率密度方麵的技術挑戰。下一代功率半導體SiC器件將有利於應對這些挑戰和發展目標。在本文中

，我們介紹了用於直流電動汽車充電器應用的 PFC 的 SiC 器件。

英飛淩的 SiC

近年來
，寬帶隙材料和器件得到了迅速發展。SiC 器件開關損耗低，使客戶能夠提高開關頻率。因此，SiC產品廣泛應用於直流電動汽車充電器
、太陽能逆變器、不間斷電源（UPS）和開關模式電源（SMPS）應用。

英飛淩在碳化矽方麵擁有 20 多年的現場經驗，采用如圖 1 suoshidegoucaojiegou，kezaibupohuaidaotongzhuangtaihejiezhizhuangtaitiaojianxiadezhajiyanghuawudeqingkuangxiatigaoxingneng。weilezhengminggoucaojiegoudezhajiyanghuawukekaoxing，yingfeilingduizhajiyanghuawujinxinglekekaoxingpinggu，jieguorutu 2 所示。

除了上述優點外

，英飛淩 CoolSiC? MOSFET 還具有更高的閾值電壓、短路能力和寬範圍的可控 dV/dt。英飛淩在SiC MOSFET 長期運行的柵極閾值電壓 (V GS(th) )漂移領域擁有知識。它提供了設計指南，以限製導通電阻 (R DS(on) ) 的相關增加，因為它對應用中的用戶產生主要影響。這些優點使得英飛淩 CoolSiC MOSFET 易於使用 [1][2][3][4][5][6]。

圖 1. 英飛淩 CoolSiC MOSFET 單元結構示意圖。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

圖 2.V  GS過應力測試。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

適用於直流電動汽車充電器應用的 PFC

單向直流電動汽車充電器通常采用Vienna PFC拓撲和帶有LLC諧振轉換器和全橋整流器拓撲的DC-DC部分
，如圖3所示。

還有另一種常見的DC-DC拓撲結構，即相移全橋（PSFB）
，其具有不同的拓撲結構和控製方法。DC EV充電器中的PFC部分可以使用英飛淩產品，例如D1~D6采用1200 V Si或SiC二極管，SW1~SW6采用CoolMOS? MOSFET和TRENCHSTOP? IGBT5。LLC DC-DC原邊可采用CFD係列CoolMOS MOSFET，副邊可采用650V Rapid Si二極管或650V Infineon CoolSiC二極管。由於輸出直流電壓範圍較寬，通常為200~1000 VDC


，因此采用繼電器串聯或並聯全橋整流器。

在本文中，我們重點關注直流電動汽車充電器應用的 PFC。Vienna PFC 拓撲廣泛應用於單向直流電動汽車充電器應用，如圖 4 所示。

由於SiC二極管的反向恢複電流比Si二極管低
，因此當SW1~SW6導通時，此類電流將流過SW1~SW6。因此
，如果反向恢複電流較小，則可以降低SW1~SW6的導通開關損耗。因此，1200 V SiC 二er極ji管guan廣guang泛fan應ying用yong於yu單dan向xiang直zhi流liu電dian動dong汽qi車che充chong電dian器qi應ying用yong
，以yi實shi現xian更geng低di的de功gong率lv損sun耗hao和he更geng高gao的de效xiao率lv。較jiao低di的de功gong率lv損sun耗hao意yi味wei著zhe功gong率lv器qi件jian的de結jie溫wen較jiao低di，這zhe可ke以yi提ti高gao可ke靠kao性xing或huo增zeng加jia功gong率lv密mi度du。

圖 3. 直流電動汽車充電器拓撲。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

圖 4. 維也納 PFC 拓撲。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

三相全橋拓撲 (B6) 也廣泛用於直流電動汽車充電器應用，如圖 5 所示。

我們知道
，這種B6拓撲也可以用作逆變器，因此可以用於雙向應用。如果圖3中的PFC二極管和整流二極管（D1~D14）改為開關器件，則拓撲變為中性點鉗位2（NPC2，如圖6）和雙向DC-DC（CLLC
，或雙有源橋）拓撲，這是一種雙向充電器拓撲
，如圖7所示。

zhiliudiandongqichechongdianqizhongdeshuangxianggongnengtongchangshizhidangdianchichongdianzhuangtaijiaogaoshi
，huozaimouxietiaojianxia
，lirutingdianhuohuwaishi，jiangdiandongqichezhongdedianchifangdiandaodianwang、用電設備或其他電動汽車野營。向電網放電也稱為車輛到電網（V2G）jishu，qiyoudianbaokuojiangdidiandongqichezongyongyouchengbenheyouhuadianwangwendingxingdeng。zhezhongjishukendinghuizaiweilaidechongdianqizhongdedaoyingyong，ershuangxiangchongdianqiyinggaihuichengweizhiliudiandongqichechongdianqidequshi。

如圖8所示，使用1200V CoolSiC MOSFET替代DC-DC中的600V/650V CoolMOS，並使用B6替代圖9所示的NPC2，可以減少係統中功率器件的數量，並使其更容易控製。這些優勢還有助於雙向直流電動汽車充電係統實現更高的效率、更高的功率密度和更低的單位重量。

圖 5. 三相全橋拓撲 (B6)。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

圖 6. 三相全橋拓撲 (B6)。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

圖 7. 雙向直流電動汽車充電器拓撲 A。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

圖 8. 雙向直流電動汽車充電器拓撲 B。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

圖 9. 雙向直流電動汽車充電器拓撲 C . 圖片由 Bodo’s Power Systems提供

具有不同器件和拓撲的 15 kW PFC 簡介

單向和雙向直流電動汽車充電器應用有多種不同的解決方案。該研究重點關注 PFC 部件，以便比較效率和成本，並為單向和雙向應用提出建議。表 1 和表 2 顯示了用於單向和雙向 PFC 的三種 15 kW 三相 PFC 解決方案。同時使用 Si 器件和 SiC 器件的解決方案稱為混合解決方案。

在表 1 和表 2 所示條件下進行仿真後，得到的功率損耗與開關頻率的關係曲線如圖 10 和圖 11 所示。從圖 10 中單向 PFC 解決方案的曲線來看，1200 V 的 Vienna PFC 混合解決方案CoolSiC二極管的功率損耗與CoolSiC MOSFET B6解決方案幾乎相同，並且比B6解決方案具有更好的性價比。

從圖 11 雙向 PFC 解決方案的曲線來看，Si NPC2 解決方案的功耗
，混合 NPC2 的功耗低於 Si NPC2 解決方案
，而采用 CoolSiC MOSFET 解決方案的 B6 功耗
，且開關頻率。由於開關頻率高
，我們還可以使用低電感、小散熱器和小 PCB 尺寸，這有助於降低係統成本。

圖 10. 單向 PFC 功率損耗曲線。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

圖 11. 雙向 PFC/INV 功率損耗曲線。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

結論

在本文中，我們介紹了單向和雙向直流電動汽車充電器拓撲
，特別是 PFC 部件和 SiC 器件，包括混合 Vienna PFC 和 B6 拓撲中使用的 1200 V SiC 二極管和 MOSFET。從功率損耗和開關頻率曲線來看，我們建議在單向直流電動汽車充電器 PFC 部件的混合 Vienna PFC 中使用 1200 V SiC 二極管，從而實現效率和性價比。在 B6 拓撲中使用具有 1200 V SiC MOSFET 的雙向直流 EV 充電器 PFC 部件可實現效率和性能，並為整個係統帶來成本效益。

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