碳化硅与车载充电器(OBC)

REASUNOS

国内新能源汽车始终保持着高速发展趋势，从而不断寻求更高的提升与改进，而提升续航里程最直接的办法就是尽可能地提高电池的能量密度。但电池能量密度不能持续增加的时候，降低车用部件的重量成为另一个方向的选择。而碳化硅功率器件有利于OBC功率密度的提升和重量的降低。

OBC重要性

OBC（车载充电器），作为新能源汽车核心零件，它直接决定了新能源汽车的安全性及稳定性。同时OBC作为新能源汽车的核心器件之一，它的功率密度直接影响整车的重量，续航里程、充电时间等。




碳化硅功率器件与OBC

当前，智能化、轻量化、集成化将是电动汽车发展的趋势，采用碳化硅功率器件可使电动汽车或混合动力汽车功率转化能耗损失降低 20%，对大幅提高电动汽车续航里程具有重要意义，目前车载充电器（OBC）的应用较为广泛，故在OBC产品上使用碳化硅功率器件对于提升OBC产品的效率、功率密度和质量密度提升上发挥了重要作用。




产品应用

OBC典型的线路结构是由PFC和DC/DC组成，OBC的前级PFC 线路和后级 DC/DC 输出线路中均会使用碳化硅二极管（D1、D2、D3、D4、D5、D6），电池电压的提升，意味着 OBC 后级输出电压升高，配合目前 OBC从单相220V到三相380V的发展趋势，DC/DC次级器件会从目前的650V二极管转变成1200V的相关产品。




图一 6.6KW OBC单相拓扑线路




1.碳化硅二极管（SiC SBD）应用


如图一所示，在OBC的前级PFC线路和后级DC/DC输出线路中会用到碳化硅二极管（D1、D2、D3、D4、D5、D6），优势在于反向恢复电流IR接近为零。而对于OBC的PFC线路，在PFC线路使用碳化硅二极管可提升PFC线路的效率；同时碳化硅二极管的QC和VF两个主要参数也具有一定优势，故在OBC的后级输出线路中使用碳化硅二极管可提升输出整流的效率。瑞森半导体推出如下系列碳化硅二极管产品：




2. 超结MOSFET应用


在单相交流输入的OBC（拓扑线路参考图一）中，DC/DC的前段需使用开关管将直流电压转换成交流电压，如PFC输出的直流电压在400V以下，且功率不超过6.6kW的产品，可选择600V或650V系列的COOL MOS。瑞森半导体推出如下系列COOL MOS产品：


3. 碳化硅MOSFET应用


为了能缩短充电时间和提升动力电池电压有的新能源汽车采用三相380V输入的模式可以将功率提升到12KW以上，大幅度提升充电速度；同时电池电压提升对于OBC技术的发展具有重要意义。将原来输入电压由单相220V AC变成三相380V AC后，PFC输出级的电压会相应提高到600V以上，而600V或650V系列的COOL MOS已经无法满足要求，故需选用1200V系列的SiC MOS材料。它在三相12kW以上的 OBC产品中有着重要位置，现有车载电源厂家已经陆续开始生产三相12kW以上的 OBC，其都在使用SiC MOS作为DC/DC输入级开关管，由此可见，SiC MOS是未来三相12kW以上的 OBC产品上的主要用料。



图二 OBC三相拓扑线路


碳化硅材料具有耐高压、耐高温、高效率、高频率、抗辐射等优异的物理和化学特性，能够极大地提升现有能源的转换效率。碳化硅MOSFET已经在OBC应用中具有广阔的市场。瑞森半导体推出如下系列碳化硅MOSFET产品：



4. 碳化硅MOSFET封装革新


碳化硅MOSFET开关速度快，开启电压Vth比COOL MOS要低，为更好的降低MOSFET误动作的风险。如图三、四所示:TO-247-3封装的G-D-S变为D-S1-S2-G,其中第二引脚 S1接负载端，三引脚S2接驱动端；故采用最新的封装工艺将传统的TO-247-3封装变成TO-247-4封装，从而实现碳化硅MOSFET功率源极和驱动源极分开，更好降低碳化硅MOSFET关断时L*di/dt对碳化硅MOSFET栅极的影响。




图三 TO-247-3 碳化硅MOSFET 关断过程线路



图四 TO-247-4 碳化硅MOSFET关断过程线路