近年來(lái)，電動(dòng)汽車的數(shù)量，例如純電動(dòng)汽車 (BEV) 或插電式混合動(dòng)力汽車 (PHEV)，在全球范圍內(nèi)不斷增長(zhǎng)。除了許多吸引人的因素（例如，較低的碳足跡和較低的維護(hù)成本）之外，目前每次充電可達(dá)到的最大續(xù)航里程仍會(huì)引發(fā)最終用戶的一些懷疑。毫無(wú)疑問(wèn)，電動(dòng)汽車的吸引力取決于電池。這些車輛的普及和適應(yīng)以及該細(xì)分市場(chǎng)的增長(zhǎng)潛力在于高度可靠和持久的電池性能。電池性能以及耐用性高度依賴于充電技術(shù)和方法。在本文中，我們更深入地研究了車載充電系統(tǒng)架構(gòu)，并詳細(xì)闡述了 PFC 和 DC-DC 級(jí)最流行的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

經(jīng)典升壓 PFC

實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正功能的最簡(jiǎn)單拓?fù)涫鞘褂煤?jiǎn)單的升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，如圖 1 所示。這種拓?fù)湟卜Q為經(jīng)典 PFC 或經(jīng)典升壓 PFC。該電路由交流輸入側(cè)的高頻開關(guān)和二極管、電感器和二極管橋式整流器組成。在直流輸出端，通常使用緩沖電容來(lái)穩(wěn)定輸出電壓。實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)的最常見(jiàn)工作模式是連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM)，它通過(guò)開關(guān)和二極管之間的電流硬換向來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種拓?fù)涮峁┝藦慕涣鬏斎氲街绷鬏敵龅膯蜗蚬β柿鳌?/p>

圖 1：升壓 PFC 的工作原理（暗示 S1 兩端的二極管，但為了更好地理解工作原理而省略）

由于硬換向，一個(gè)要求是半導(dǎo)體可以承受連續(xù)換向。因此，合理的選擇是使用符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的 CoolSiC? 肖特基二極管 650 V Gen5 器件用于位置“D1”，同時(shí)各種開關(guān)適合作為 PFC 級(jí)中的電源開關(guān)。例如，英飛凌通過(guò)汽車認(rèn)證的 TRENCHSTOP? AUTO 5 IGBT 提供具有 650 V 擊穿電壓的高速開關(guān)能力。這些 IGBT 可用作單個(gè) IGBT 或帶有集成反并聯(lián) Si 或 SiC 二極管的 IGBT。如果選擇的器件是單個(gè) IGBT，我們建議在集電極和發(fā)射極節(jié)點(diǎn)之間使用一個(gè)小的反并聯(lián) PN 二極管，以避免 IGBT 上出現(xiàn)負(fù)電壓尖峰。當(dāng)目標(biāo)是在簡(jiǎn)單的 PFC 拓?fù)渲袑?shí)現(xiàn)最高效率時(shí)，我們建議使用 MOSFET 而不是 IGBT。最新的汽車 CoolMOS? 一代 CoolMOS? CFD7A 與用作對(duì)應(yīng)物的 SiC 二極管完美匹配拓?fù)洹Ｅc IGBT 相比，該 MOSFET 的優(yōu)勢(shì)在于通道中的電阻行為，不受尾電流影響，并且在溫度范圍內(nèi)提供更低的開關(guān)損耗。所有這些優(yōu)勢(shì)都轉(zhuǎn)化為更低的功率損耗，從而帶來(lái)更高的轉(zhuǎn)換效率。

在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中也可以使用寬帶隙晶體管；然而，這不會(huì)帶來(lái)顯著的好處，因?yàn)橛捎谕負(fù)涞淖匀恍阅?，無(wú)法充分利用 SiC 和 GaN 晶體管。

圖 2：?jiǎn)蜗嘬囕d充電器功率因數(shù)校正級(jí)示例：a) 帶有集成 SiC 二極管的 IGBT，b) 帶有外部保護(hù)二極管的單 IGBT，c) CoolMOS? CFD7A（帶有固有體二極管）

圖騰柱PFC

雙向車載充電器的常見(jiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是所謂的圖騰柱 PFC（圖 3）。在這種設(shè)置中，所有二極管都被有源功率開關(guān)取代，以實(shí)現(xiàn)雙向功率流能力。使用有源開關(guān)代替二極管的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是效率提高。盡管如此，這種修改也增加了復(fù)雜性，因?yàn)楸仨氃陔娐穬?nèi)控制更多的開關(guān)。

圖 3：圖騰柱 PFC 拓?fù)?/p>

圖騰柱 PFC 由一個(gè)快速開關(guān)支路（“S1”和“S2”）和一個(gè)慢速開關(guān)支路（“S3”和“S4”）組成。“S1”和“S2”需要能夠承受負(fù)載電流在兩個(gè)有源開關(guān)之間高頻硬換向的半導(dǎo)體。因此，“S1”和“S2”的最佳選擇是使用 TRENCHSTOP? H5 IGBT 或 CoolSiC? MOSFET。慢速開關(guān)支路（“S3”和“S4”）中的開關(guān)實(shí)現(xiàn)了相位整流功能。因此，它們?cè)诮涣鬏斎氲牧憬徊妫汶妷洪_關(guān)）期間以交流頻率打開和關(guān)閉。

圖 4：圖騰柱 PFC，帶有 a) IGBT，b) SiC MOSFET，c) 帶有 IGBT 和 CoolMOS? CFD7A（作為相位整流器）

實(shí)現(xiàn)圖騰柱 PFC 的一種常見(jiàn)方法是在“S1”、“S2”、“S3”和“S4”位置使用 IGBT 開關(guān)。英飛凌的高速 TRENCHSTOP? 5 IGBT 是車載充電器系統(tǒng)的最佳 IGBT 選擇。CoolMOS? CFD7A 推薦用于慢速開關(guān)半橋（“S3”和“S4”）以進(jìn)一步提高效率。由于交流頻率下的軟開關(guān)特性，將超級(jí)結(jié) MOSFET 設(shè)計(jì)到相位整流支路是可能的。由于具有超低反向恢復(fù)電荷，因此使用四個(gè) CoolSiC? MOSFET 可以實(shí)現(xiàn)硬開關(guān)圖騰柱 PFC。CoolSiC? MOSFET 的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是其 1200 V 的擊穿電壓水平，可支持更高的直流鏈路電壓（650 V 以上）。

移相全橋 (PSFB)

一種常用的 DC-DC 拓?fù)涫撬^的移相全橋（圖 5），由 DC-DC 轉(zhuǎn)換器初級(jí)側(cè)的全橋、諧振電感器、隔離變壓器和整流器組成二次側(cè)?；谶@種拓?fù)涞淖钕冗M(jìn)的車載充電器使用基于硅或碳化硅的 MOSFET。由于緊湊型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的高開關(guān)頻率要求，IGBT 不適合這種拓?fù)洹?/p>

圖 5：在次級(jí)側(cè)包含二極管的相移全橋拓?fù)?/p>

這種拓?fù)涞囊粋€(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是它的高效率，因?yàn)樗梢栽诤軐挼呢?fù)載范圍內(nèi)以軟開關(guān)方式運(yùn)行。這意味著存儲(chǔ)在 MOSFET 寄生電容中的能量可以被回收利用，從而降低功率損耗、減少熱耗散并提高轉(zhuǎn)換效率。初級(jí)側(cè)的附加電感器 (L r) 確保 MOSFET 的軟開關(guān)。盡管如此，由于這種拓?fù)涞墓逃刑匦?，無(wú)法在整個(gè)輸出范圍內(nèi)為所有 MOSFET 實(shí)現(xiàn)全 ZVS。通常，不同 MOSFET 的硬開關(guān)發(fā)生在輕負(fù)載條件下（當(dāng)諧振能量不足以維持 ZVS 時(shí)）。這種硬開關(guān)現(xiàn)象也是英飛凌推薦具有快速二極管特性的硅 MOSFET（例如 CoolMOS? CFD7A）或?qū)拵?MOSFET（例如 CoolSiC? 系列）用于汽車應(yīng)用以確保長(zhǎng)期可靠運(yùn)行的原因。

這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，與 LLC 轉(zhuǎn)換器相比，控制工作量相對(duì)較低。功率流的調(diào)節(jié)是通過(guò)控制兩個(gè)半橋臂之間的相移來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而無(wú)需修改頻率或占空比。此外，PSFB 拓?fù)淠軌驅(qū)崿F(xiàn)比 LLC 轉(zhuǎn)換器更寬的轉(zhuǎn)換比。

次級(jí)側(cè)的任務(wù)是對(duì)初級(jí)側(cè)傳輸?shù)哪芰窟M(jìn)行整流。有幾種方法可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。一種方法是使用全橋整流（如圖 5 所示）或中心抽頭變壓器。對(duì)于這兩種變體，二極管或有源 MOSFET 是最常見(jiàn)的選擇。

圖 6：用于雙向使用的移相全橋拓?fù)?/p>

如果 DC-DC 的次級(jí)側(cè)使用有源開關(guān)，并且應(yīng)用了適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，則移相全橋拓?fù)湟部捎糜陔p向車載充電器。圖 6 說(shuō)明了雙向 PSFB 的概念。如圖所示，無(wú)需進(jìn)一步修改硬件組件即可支持雙向功率流。

LLC拓?fù)?/p>

LLC 拓?fù)涫菍?shí)現(xiàn)最高轉(zhuǎn)換效率的理想選擇。與 PSFB 相比，LLC 拓?fù)湓试S實(shí)現(xiàn)更高的效率，從而降低操作期間的損耗，并實(shí)現(xiàn)更高的功率密度轉(zhuǎn)換器。車載充電器中使用的大部分 LLC 轉(zhuǎn)換器都是全橋 LLC 轉(zhuǎn)換器。初級(jí)側(cè)的全橋配置有助于減少通過(guò)電源開關(guān)的電流，因?yàn)榕c半橋 LLC 轉(zhuǎn)換器相比，變壓器的初級(jí)側(cè)繞組驅(qū)動(dòng)的電壓高兩倍。由于雙倍電壓，對(duì)于給定的變壓器尺寸，可以傳輸雙倍的功率。盡管如此，

精心設(shè)計(jì)的 LLC 拓?fù)涞牧硪粋€(gè)優(yōu)勢(shì)是可以在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn) ZVS。然而，MOSFET 的硬開關(guān)很容易在啟動(dòng)時(shí)和僅在某些臨界條件下（即“電容模式”操作）發(fā)生。因此，我們建議使用具有快速體二極管和出色換向堅(jiān)固性的 MOSFET，以確保長(zhǎng)期可靠性。

除了優(yōu)點(diǎn)之外，LLC 拓?fù)溥€有一個(gè)缺點(diǎn)：功率流是通過(guò)可變頻率而不是脈寬調(diào)制控制信號(hào)的可變占空比來(lái)控制的。由于所需的頻率范圍，EMI 濾波器的設(shè)計(jì)可能會(huì)變得更具挑戰(zhàn)性。此外，LLC 轉(zhuǎn)換器的并行級(jí)同步變得更加復(fù)雜，因?yàn)楹茈y規(guī)定電流共享。此外，LLC 拓?fù)涞霓D(zhuǎn)換率有限。

圖 7 顯示了車載充電器中使用的典型全橋 LLC 轉(zhuǎn)換器，其中轉(zhuǎn)換器的次級(jí)側(cè)也設(shè)計(jì)為全橋。

圖 7：用于單向操作的全橋 LLC 轉(zhuǎn)換器（在次級(jí)側(cè)具有有源同步整流）

結(jié)論

電動(dòng)汽車的吸引力取決于電池。半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步需要實(shí)現(xiàn)更高的效率和最佳性能，使電動(dòng)汽車成為傳統(tǒng)交通工具的方便和環(huán)保的替代品。為了滿足當(dāng)代 OBC 設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求，當(dāng)今有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和技術(shù)可供使用。因此，任務(wù)是在這些之間進(jìn)行完美匹配。

審核編輯：郭婷