近年來，電動汽車的數量，例如純電動汽車 (BEV) 或插電式混合動力汽車 (PHEV)，在全球范圍內不斷增長。除了許多吸引人的因素（例如，較低的碳足跡和較低的維護成本）之外，目前每次充電可達到的最大續航里程仍會引發最終用戶的一些懷疑。毫無疑問，電動汽車的吸引力取決于電池。這些車輛的普及和適應以及該細分市場的增長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和方法。在本文中，我們更深入地研究了車載充電系統架構，并詳細闡述了 PFC 和 DC-DC 級最流行的拓撲結構。

經典升壓 PFC

實現功率因數校正功能的最簡單拓撲是使用簡單的升壓轉換器拓撲，如圖 1 所示。這種拓撲也稱為經典 PFC 或經典升壓 PFC。該電路由交流輸入側的高頻開關和二極管、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穩定輸出電壓。實現高功率因數的最常見工作模式是連續導通模式 (CCM)，它通過開關和二極管之間的電流硬換向來實現。這種拓撲提供了從交流輸入到直流輸出的單向功率流。

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，一個要求是半導體可以承受連續換向。因此，合理的選擇是使用符合汽車標準的 CoolSiC? 肖特基二極管 650 V Gen5 器件用于位置“D1”，同時各種開關適合作為 PFC 級中的電源開關。例如，英飛凌通過汽車認證的 TRENCHSTOP? AUTO 5 IGBT 提供具有 650 V 擊穿電壓的高速開關能力。這些 IGBT 可用作單個 IGBT 或帶有集成反并聯 Si 或 SiC 二極管的 IGBT。如果選擇的器件是單個 IGBT，我們建議在集電極和發射極節點之間使用一個小的反并聯 PN 二極管，以避免 IGBT 上出現負電壓尖峰。當目標是在簡單的 PFC 拓撲中實現最高效率時，我們建議使用 MOSFET 而不是 IGBT。最新的汽車 CoolMOS? 一代 CoolMOS? CFD7A 與用作對應物的 SiC 二極管完美匹配拓撲。與 IGBT 相比，該 MOSFET 的優勢在于通道中的電阻行為，不受尾電流影響，并且在溫度范圍內提供更低的開關損耗。所有這些優勢都轉化為更低的功率損耗，從而帶來更高的轉換效率。

在這種拓撲結構中也可以使用寬帶隙晶體管；然而，這不會帶來顯著的好處，因為由于拓撲的自然性能，無法充分利用 SiC 和 GaN 晶體管。

圖 2：單相車載充電器功率因數校正級示例：a) 帶有集成 SiC 二極管的 IGBT，b) 帶有外部保護二極管的單 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拓撲結構是所謂的圖騰柱 PFC（圖 3）。在這種設置中，所有二極管都被有源功率開關取代，以實現雙向功率流能力。使用有源開關代替二極管的另一個優點是效率提高。盡管如此，這種修改也增加了復雜性，因為必須在電路內控制更多的開關。

圖 3：圖騰柱 PFC 拓撲

圖騰柱 PFC 由一個快速開關支路（“S1”和“S2”）和一個慢速開關支路（“S3”和“S4”）組成。“S1”和“S2”需要能夠承受負載電流在兩個有源開關之間高頻硬換向的半導體。因此，“S1”和“S2”的最佳選擇是使用 TRENCHSTOP? H5 IGBT 或 CoolSiC? MOSFET。慢速開關支路（“S3”和“S4”）中的開關實現了相位整流功能。因此，它們在交流輸入的零交叉（零電壓開關）期間以交流頻率打開和關閉。

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）

實現圖騰柱 PFC 的一種常見方法是在“S1”、“S2”、“S3”和“S4”位置使用 IGBT 開關。英飛凌的高速 TRENCHSTOP? 5 IGBT 是車載充電器系統的最佳 IGBT 選擇。CoolMOS? CFD7A 推薦用于慢速開關半橋（“S3”和“S4”）以進一步提高效率。由于交流頻率下的軟開關特性，將超級結 MOSFET 設計到相位整流支路是可能的。由于具有超低反向恢復電荷，因此使用四個 CoolSiC? MOSFET 可以實現硬開關圖騰柱 PFC。CoolSiC? MOSFET 的另一個優勢是其 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 拓撲是所謂的移相全橋（圖 5），由 DC-DC 轉換器初級側的全橋、諧振電感器、隔離變壓器和整流器組成二次側。基于這種拓撲的最先進的車載充電器使用基于硅或碳化硅的 MOSFET。由于緊湊型 DC-DC 轉換器的高開關頻率要求，IGBT 不適合這種拓撲。

圖 5：在次級側包含二極管的相移全橋拓撲

這種拓撲的一個顯著優勢是它的高效率，因為它可以在很寬的負載范圍內以軟開關方式運行。這意味著存儲在 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換效率。初級側的附加電感器 (L r) 確保 MOSFET 的軟開關。盡管如此，由于這種拓撲的固有特性，無法在整個輸出范圍內為所有 MOSFET 實現全 ZVS。通常，不同 MOSFET 的硬開關發生在輕負載條件下（當諧振能量不足以維持 ZVS 時）。這種硬開關現象也是英飛凌推薦具有快速二極管特性的硅 MOSFET（例如 CoolMOS? CFD7A）或寬帶隙 MOSFET（例如 CoolSiC? 系列）用于汽車應用以確保長期可靠運行的原因。

這種拓撲結構的另一個優點是，與 LLC 轉換器相比，控制工作量相對較低。功率流的調節是通過控制兩個半橋臂之間的相移來實現的，而無需修改頻率或占空比。此外，PSFB 拓撲能夠實現比 LLC 轉換器更寬的轉換比。

次級側的任務是對初級側傳輸的能量進行整流。有幾種方法可以實現這一點。一種方法是使用全橋整流（如圖 5 所示）或中心抽頭變壓器。對于這兩種變體，二極管或有源 MOSFET 是最常見的選擇。

圖 6：用于雙向使用的移相全橋拓撲

如果 DC-DC 的次級側使用有源開關，并且應用了適當的控制策略，則移相全橋拓撲也可用于雙向車載充電器。圖 6 說明了雙向 PSFB 的概念。如圖所示，無需進一步修改硬件組件即可支持雙向功率流。

LLC拓撲

LLC 拓撲是實現最高轉換效率的理想選擇。與 PSFB 相比，LLC 拓撲允許實現更高的效率，從而降低操作期間的損耗，并實現更高的功率密度轉換器。車載充電器中使用的大部分 LLC 轉換器都是全橋 LLC 轉換器。初級側的全橋配置有助于減少通過電源開關的電流，因為與半橋 LLC 轉換器相比，變壓器的初級側繞組驅動的電壓高兩倍。由于雙倍電壓，對于給定的變壓器尺寸，可以傳輸雙倍的功率。盡管如此，

精心設計的 LLC 拓撲的另一個優勢是可以在整個負載范圍內實現 ZVS。然而，MOSFET 的硬開關很容易在啟動時和僅在某些臨界條件下（即“電容模式”操作）發生。因此，我們建議使用具有快速體二極管和出色換向堅固性的 MOSFET，以確保長期可靠性。

除了優點之外，LLC 拓撲還有一個缺點：功率流是通過可變頻率而不是脈寬調制控制信號的可變占空比來控制的。由于所需的頻率范圍，EMI 濾波器的設計可能會變得更具挑戰性。此外，LLC 轉換器的并行級同步變得更加復雜，因為很難規定電流共享。此外，LLC 拓撲的轉換率有限。

圖 7 顯示了車載充電器中使用的典型全橋 LLC 轉換器，其中轉換器的次級側也設計為全橋。

圖 7：用于單向操作的全橋 LLC 轉換器（在次級側具有有源同步整流）

結論

電動汽車的吸引力取決于電池。半導體技術的進步需要實現更高的效率和最佳性能，使電動汽車成為傳統交通工具的方便和環保的替代品。為了滿足當代 OBC 設計的設計要求，當今有多種拓撲結構和技術可供使用。因此，任務是在這些之間進行完美匹配。

審核編輯：郭婷