隨著電動汽車(EV)銷量的增長，對車載充電器(OBC)的性能要求也越來越高，原始設(shè)備制造商希望最大限度地減小這些組件的尺寸和重量，以幫助提高車輛續(xù)航里程。

　　目前，使用硅器件的OBC可以實現(xiàn)的功率密度水平通常為 2 kW/L。寬帶隙器件可以實現(xiàn)超過 6 kW/L 的功率密度，這意味著功率密度提高了 3 倍。英飛凌將此數(shù)字用作使用 GaN HEMT 的三相 11 kw OBC 設(shè)計中的功率密度目標水平。在本文中，我們考慮了設(shè)計挑戰(zhàn)、拓撲選擇過程和最終設(shè)計的功能。

　　車載充電器規(guī)格

　　實現(xiàn)高功率密度 OBC 的主要挑戰(zhàn)是寬輸入和輸出電壓范圍規(guī)格。世界各地的電網(wǎng)電壓各不相同，增加了 PFC 整流器級設(shè)計的復雜性。輸出電壓范圍取決于電動汽車電池電壓，這對 DC/DC 級構(gòu)成了進一步的挑戰(zhàn)。平衡這些要求意味著在硬開關(guān)損耗或增加 RMS 電流之間進行選擇，這兩者都是不可取的。此外，隨著更多可再生電力形式開始向電網(wǎng)供電，聯(lián)網(wǎng)電動汽車提供的峰值功率調(diào)整被認為是穩(wěn)定電網(wǎng)的一種手段，這使設(shè)計任務進一步復雜化，因為 OBC 現(xiàn)在還需要雙向電力處理。

　　最終的設(shè)計規(guī)范是 OBC 必須能夠通過單相和三相電網(wǎng)電源運行。假設(shè)每相的可用電流受到保險絲的限制，則具有 16 A 額定保險絲的 230 Vrms(線對中性點)相可提供 3.6 kW 的單相功率和 11 kW 的三相功率。雖然這對于傳統(tǒng)三相系統(tǒng)(例如維也納整流器)來說是可能的，但對于在美國運行的同一個 OBC，9.6 kW 需要帶有 40 A 保險絲的 240 Vrms 分離式單相電網(wǎng)接口的權(quán)力。

　　選擇 OBC 拓撲

　　以功率密度為 10 kW/L 的現(xiàn)有 10 kW EV 充電器為起點，尋求最大化 OBC 設(shè)計的功率密度。該充電器的規(guī)格如表 1 所示。

表1

　　最終的充電器設(shè)計(圖 1)使用了帶有穩(wěn)壓分體式直流母線的 Vienna 整流器 PFC，其上連接了四個具有 600 V 額定電壓 GaN HEMT (IGOT60R042D1) 的級聯(lián)雙有源電橋 (DAB) DC/DC 轉(zhuǎn)換器，以提供輸出電壓規(guī)定。就其本質(zhì)而言，DAB 是雙向拓撲，可以在降壓和升壓模式下執(zhí)行 ZVS，使其適合電動汽車充電器和 OBC 中的高頻操作。通過用有源開關(guān)替換Vienna整流器PFC的整流二極管，可以實現(xiàn)同步整流和完全雙向功率轉(zhuǎn)換。

圖1

　　OBC 設(shè)計特點

　　該設(shè)計的三個關(guān)鍵特征使更高的功率密度成為可能。首先，工作頻率為 560 kHz 的新型 1/3-PWM 協(xié)同調(diào)制方案使用 DC-DC 級來控制直流母線電壓，因此在 AC/DC 級中，任何時候只有三相中的一相進行切換。這樣做的優(yōu)點是可以減少由 AC/DC 級開關(guān)損耗引起的功耗，并且還可以將直流母線電壓降低至升壓拓撲的最低可能值，即降低至線路的六脈沖包絡線電壓和/或最大線電壓。通過降低后續(xù) DC/DC 轉(zhuǎn)換器所需的電壓傳輸比，這對于 DC/DC 級也具有優(yōu)勢。例如，最小系統(tǒng)輸出電壓為 250 V

　　其次，使用占空比、相移和開關(guān)頻率的自由度來調(diào)制 DAB，以在寬輸入和輸出電壓范圍內(nèi)實現(xiàn) ZVS。具有兩個有源全橋的拓撲允許在很寬的范圍內(nèi)控制電壓。然而，確定變壓器和半導體器件的開關(guān)損耗和傳導損耗之間的最佳平衡是一個挑戰(zhàn)。DAB 最有利的工作點是初級和次級之間的電壓傳輸比與匝數(shù)比相同的工作點，此時存在低 RMS 電流，并且所有橋臂中都有 ZVS 轉(zhuǎn)換。然而，當調(diào)制 DAB 超出自然電壓傳輸比時，先進的調(diào)制方案可用于最大限度地減少給定工作參數(shù)集的損耗。在這些條件下，自由度是初級側(cè)和次級側(cè)之間的相移，允許控制從初級到次級(或反之亦然)的功率流。

圖2

　　最后，與硅和碳化硅器件相比，GaN GIT HEMT 器件在相同導通電阻的情況下具有更小的輸出電容，從而能夠在更低的電流水平下實現(xiàn)完全 ZVS。它們還具有極低的特定 Rdson 值，并且能夠在部分硬開關(guān)和硬開關(guān)模式下運行。通過將先進的控制和調(diào)制方案與 GaN 器件在不同開關(guān)條件下的卓越性能相結(jié)合，可以實現(xiàn)下一代電動汽車 OBC 所需的功率密度水平。最終電動汽車充電器設(shè)計(圖 2)的無外殼功率密度為 10kW/L，尺寸為 17.8 x 400 x 140 mm。

　　GaN HEMT 的要點

　　GaN HEMT 具有適合高頻操作的固有特性，這使得它們能夠在硬開關(guān)和軟開關(guān)狀態(tài)下工作。這使得它們能夠用于先進的調(diào)制和控制方案，從而可以在高功率密度的設(shè)計中實現(xiàn)寬輸入和輸出電壓范圍。英飛凌已經(jīng)證明，這些器件將能夠?qū)崿F(xiàn)電動汽車中下一代 OBC 充電器所需的功率密度水平。