作者：安森美半導體(ti) 亞(ya) 太方案中心市場營銷工程師

日趨嚴(yan) 格的CO2排放標準以及不斷變化的公眾(zhong) 和企業(ye) 意見在加速全球電動汽車(EV)的發展。這為(wei) 車載充電器(OBC)帶來在未來幾年巨大的增長空間，根據最近的趨勢，到2024年的複合年增長率(CAGR(TAM))估計將達到37.6%或更高。對於(yu) 全球OBC模塊正在設計中的汽車，提高係統能效或定義(yi) 一種高度可靠的新拓撲結構已成為(wei) 迫在眉睫的挑戰。

用於(yu) 單相輸入交流係統的簡單功率因數校正(PFC)拓撲結構(圖1)是個(ge) 傳(chuan) 統的單通道升壓轉換器。該方案包含一個(ge) 用於(yu) 輸入交流整流的二極管全橋和一個(ge) PFC控製器，以增加負載的功率因數，從(cong) 而提高能效並減少施加在交流輸入電源上的諧波。這種流行的PFC升壓拓撲的優(you) 點是設計簡單，實施成本低且性能可靠。然而，二極管橋式整流器的導通損耗是不可避免的，且這將不支持車輛向AC電網提供電能的雙向運行。采用多通道交錯式傳(chuan) 統升壓轉換器，對升壓電路進行多次迭代，可改善某些係統性能參數，但並不能省去輸入二極管橋。

圖1：傳(chuan) 統的PFC

仿真數據(圖2)表麵，在PFC塊中，輸入二極管橋的功率損耗比其他所有元器件損耗都要大。

圖2：PFC中的功率損耗分布

為(wei) 了提高OBC係統的能效，人們(men) 研究了不同的PFC拓撲結構，包括傳(chuan) 統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)由於(yu) 減少了元器件數量，降低了導通損耗，且能效高，因而廣受歡迎。

圖3：無橋圖騰柱PFC

傳(chuan) 統的矽(Si)MOSFET很難在圖騰柱PFC拓撲中的連續導通模式(CCM)下工作，因為(wei) 體(ti) 二極管的反向恢複特性很差。碳化矽(SiC)MOSFET采用全新的技術，比Si MOSFET具有更勝一籌的開關(guan) 性能、極小的反向恢複時間、低導通電阻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門極電荷(QG)。

設計OBC的另一個(ge) 挑戰是，車輛中分配給模塊的空間有限。在功率要求和電池電壓不斷提高的同時，設計既能滿足機械尺寸要求又能提供所需輸出功率的OBC變得越來越困難。使用當前用於(yu) OBC的技術，工程師們(men) 不得不在功率、尺寸和能效之間進行權衡，而SiC正在突破這些設計障礙。工程師使用具有更高開關(guan) 頻率的SiC，可使用更小的電感器，仍能達到以前相同的電感器紋波電流要求。

在OBC係統中使用SiC MOSFET的好處是能夠以更高的頻率進行開關(guan) ，功率密度更高，能效更高，EMI性能得到改善以及係統尺寸減小。如今，SiC已廣泛使用，工程師可在設計中使用圖騰柱PFC來提高性能。

安森美半導體(ti) 方案中心最新發布的采用6.6kW圖騰柱PFC的OBC評估板為(wei) 多通道交錯式無橋圖騰柱PFC拓撲提供了參考設計。該設計在每個(ge) 高速支路包括一個(ge) 隔離的高電流、高能效IGBT驅動器(NCV57000DWR2G)和兩(liang) 個(ge) 高性能SiC MOSFET(NVHL060N090SC1)。此外，低速支路采用兩(liang) 個(ge) 由單片高邊和低邊門極驅動器IC(FAN7191_F085)控製的650V N溝道功率MOSFETSUPERFET?III(NVHL025N65S3)。

圖4：6.6kW交錯式圖騰柱PFC評估板

在圖騰柱拓撲結構中采用這些高性能SiC MOSFET配置，係統能效達到97%(典型值)。該設計包括硬件過流保護(OCP)、硬件過壓保護(OVP)和輔助配電係統(非隔離)，可為(wei) PFC板和控製板上的每個(ge) 電路供電，而無需其它直流源。靈活的控製接口可適應各種控製板。

圖5：6.6kW交錯式圖騰柱PFC評估板框圖