白皮书：半导体如何实现OBC的设计需求？

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本白皮书探讨OBC的发展远景，使用的半导体技术，及如何选用电能转换拓扑来满足设计需求。

目录

■  OBC对于xEV的意义

■  碳化硅技术为何适合OBC

■  支持双向电能转换

■  双向电能转换拓扑

■  设计LLC谐振转换器

■  支持双向CLLC

■  SiC MOSFET OBC的演变

OBC对于xEV的意义

OBC可缓解司机无充电桩可用时的焦虑。虽然充电桩充电速度快，但它们只能在专门的充电站里使用，有时还是某个汽车厂商的专有资产，或者供不应求，充电电价是常规家用电价的三倍之多。此外，去充电站的路程和充电所需的等待时间，对日常通勤是不可接受的。在OBC中增加对电能双向流动的支持，有望开创出一系列创新用例，使得xEV可以转变成移动电源，用于维持电网平衡，帮助启动其它xEV，以及在偏远地区（露营、DIY、应急等）进行脱网供电。

图1：在家中或商业停车场里使用的典型交流车载充电原理图

OBC适合家庭使用，例如工作或购物时将车停在车库或停车场充电。一台7.2 kW的充电机给汽车充满电大约需要6-8小时。高端纯电动汽车平台拥有的充电机功率可达11 kW甚至是22 kW。它们的工作原理非常简单：从壁挂式充电机获取115 / 230 VAC单相、双相或三相电，然后转换成给电池充电的直流电。以下是典型双向OBC的框图，其中包含有源功率因数校正(PFC)级及其后面的DC/DC转换器。

碳化硅技术为何适合OBC？

未来十年内，约30%新生产的汽车预计是xEV。世界各地的排放标准也在日趋严格。结合未来xEV的全面推广，这些将导致对车载（和非车载）充电系统的需求日益上升。而过去的技术无法满足未来的需求。

现代充电系统设计的一个关键因素是功率半导体的选择。在现有设计广泛地使用硅功率器件的同时，SiC等宽禁带(WBG)技术的推出为新的设计方法提供了机会。此外，基于SiC的设计能实现比硅基设计更高的效率，使得能量损耗及产生的热量都降低。这些优势有助于构建出所需物理空间更小的OBC。基于SiC的充电系统体积更小，重量更轻，同时充电速度更快，而系统成本更低。由于OBC所需的空间变小，汽车厂商在设计支持可扩展xEV平台的车辆时拥有更多自由，而各级供应商可优化总体系统成本。

下表比较了硅和碳化硅的材料性能差异，以凸显出这些差异体现在器件和系统中的益处。此外，该表还描述了SiC 在终端应用中能够创造的价值。

相比传统的硅功率器件，取决于所用的拓扑结构，SiC能实现更高的功率密度，更高的系统效率，更简单的冷却设计，以及更低的系统成本。虽然当下受益于SiC的汽车相对极少，但整个汽车行业的转型才刚刚开始，所围绕的问题更多的是“在哪些地方使用SiC？”，而不是“为什么应该使用SiC ？”。

依托全面而有竞争力的产品组合，结合全球供应链，英飞凌能助力客户定义和设计最优化的OBC架构。

通过提供功率器件以及相应的栅极驱动芯片、传感器以及控制器，英飞凌能为客户提供从产品到系统(P2S)的全面支持。英飞凌已经在与客户开展新一代SiC解决方案和技术的合作，以使正在开发的技术能满足特定的目标应用需求。

支持双向电能转换

xEV作为一种产品仍在发展成熟中，而现有的OBC是单向的，即G2V（电网到车辆）。然而， OBC将支持双向电能转换。发展趋势包括：

› V2G（车辆到电网）

› V2L（车辆到负载）

› V2V（车辆到车辆）

› V2H（车辆到家庭）

› V2G（车辆到电网）孤岛模式

双向电能转换拓扑

双向电能转换器虽然已是广为所知的技术，但要推向汽车市场仍存在一系列挑战。可靠性和功能安全性不仅在汽车和发电标准中至关重要，对确保司机和乘客的安全健康同样至关重要。最后，还必须满足汽车应用对价格的苛刻要求。

一种方法是设计两个独立的转换器，分别满足特定的应用需求。但这会导致解决方案体积庞大，所需组件数目多。最好的解决方案是图腾柱PFC (TP-PFC)与双有源桥(DAB)拓扑相结合，可以采用软开关和减少所需器件数量，实现高效率和必要的电隔离。

这些半桥/全桥分别与电感器和高频变压器（也设定转换比）相连。控制方法根据应用的需求和任意一侧所支持的电压范围而变化。

一种典型的方法是利用来自MCU的互补PWM信号控制两个桥。电能传输方向通过改变所用信号的相位来决定。

另一种常见拓扑是CLLC谐振转换器。这种方法因为能实现电隔离和支持软开关而适用于高频率开关。这使得可以使用较小的无源器件，从而实现紧凑型设计。全桥两侧的电容器支持双向电流。

CLLC谐振转换器基本设计如图4所示，它适用于支持功率等级为3.6 - 7.2 kW充电机的单相输入OCB设计。在图中所示的设计中，DAB转换器删除了CPri、CSec和Lr-Sec。该图还包含TP-PFC级。

650 V硅超结MOSFET（如CoolMOS™系列）非常适合与400 V电池相连的、基于CLLC的DC/DC转换器。随着WBG技术的日益普及，设计人员也在考虑将750 V CoolSiC™ MOSFET作为一个有吸引力的选择。CoolSiC™稳定性好，温度范围内的RDS(ON)电阻小且稳定，且VDS电压更高，因而能够帮助OEM转向使用500 V电池。

在TP- PFC中，650 V TRENCHSTOP™ 5 +快速二极管汽车级IGBT是高性价比的选择，其中CoolMOS™ MOSFET用在回路中。或者，也可使用650 V CoolSiC™混合IGBT单管，它结合了SiC肖特基势垒二极管和IGBT的优点。相比传统的IGBT，该功率器件的导通损耗Eon和其他开关损耗都大幅降低。随着汽车所用的电池电压更高(500 V)，750 V SiC MOSFET将是唯一的选择。

图4：采用CLLC拓扑结构的PFC适用于由单相交流电源供电的双向OBC，而复合转换器也可利用三相电源供电。

DAB和CLLC方法都适用于通过采用并联/复合转换器而实现的三相OBC设计。这使得OBC的功率等级可从11 kW (3 × 3.6 kW)上升至22 kW (3 × 7.2 kW)。

1200 V CoolSiC™ MOSFET适用于支持真正三相交流电网输入和更高电池电压（如800 V）的OBC。SiC MOSFET支持使用更高的开关频率，从而助力于更紧凑、重量更轻的设计。简化热量管理的创新封装，帮助改进效率和散热，使得设计人员进行整体设计时可以更灵活。和单相设计一样，三相设计也可用于并联系统，以支持更高的功率输出，进而帮助缩短充电时间。

图5：采用CoolSiC™功率器件的、带CLLC DC/DC谐振转换器的三相PFC适用于800 V电池。

设计LLC谐振转换器

在将交流电网电源转换成直流输入电源的应用中，LLC转换拓扑是公认最优的DC/DC转换方法，部分原因是电压调节范围宽和能适应负荷变化。使用软开关使得EMI最小化，与此同时，变压器可实现所需的电隔离。对现有OBC设计的分析和正在进行的汽车充电机研究验证了这一方法。OBC的挑战之一在于，输入侧必须适应xEV所在地区的宽交流电压和频率范围。由于负荷已知且在xEV的生命周期内维持不变，所以输出侧相较之下更为简单直观。

除了量化输入输出要求，设计人员还需指定电能传输计划和可能的开关频率[1] 。由此可以指定谐振电路元件，包括高频变压器的二次杂散电感。这一阶段必须与经验丰富的变压器供应商密切合作，以进行准确的设计仿真，从而获得最优的变压器选择（图6）。将LLC设计与变压器模型相结合，有助于进行快速迭代以实现设计目标。

图6：设计高频变压器需要十分谨慎和经验丰富的变压器供应商的支持。

需要合适的控制方法来支持OBC的实时同步控制（闭环控制）和异步控制（人机交互、监控和紧急停机）。在所进行的设计中（图7），选择了由OPTIREG™ PMIC驱动的AURIX™系列 MCU。这些功能强大的32位多核MCU拥有一系列外设，可简化功率器件的高频率控制。凭借24位定时器分辨率和5 ns的粒度，GTM（通用定时器模块）可为这些应用生成动态的PWM信号。集成的死区时间功能(DTM)和先进的数据路由能力，可避免依赖于CPU的存储器访问。这一结合使得AURIX™能够迅速响应OBC运行期间的电压和电流变化。需要时，运行在200 MHz频率下的GTM也能支持高达1 MHz的OBC开关频率。

图7：由AURIX™ MCU（左）连同输出侧（右）控制的、仿真的LLC谐振转换器框图。

软件架构支持及时更新DC/DC转换器的实时控制，同时也包含较低占空比所要求的控制方法。所用方法使用了多个状态机（图8）。一个负责整体控制，包括启动、命令解码、执行、故障处理、状态等。第二个负责进行闭环控制（PI控制器）、软启动和驱动器自举等。

图8：栅极驱动器自举和PI控制在其自己的状态机（左）中进行，而其他应用则在单独的状态机（右）中处理。

控制界面采用基于PC的图形用户界面(GUI)实现，提供状态信息的控制和输出。连接采用经由OPTIREG™ Lite SBC（系统基础芯片）的收发器的CAN接口。

以下设计采用Easy1B压接模块中的650 V CoolMOS™ CFD7A超结功率MOSFET实现谐振LLC控制。这有助于简化散热概念和方便为了试验而进行替换。还选择了EiceDRIVER™器件来驱动栅极，从而实现隔离和电平转换。LLC的二次侧采用基于体二极管的正向电压触发的自控同步整流栅极驱动器。为避免在投入运行时被损坏，采用了基于软件和基于纯硬件的限值检测和关断机制——超出规定限值时，通过硬件传感方法实现快速关断。电路板被设计为六层70 μm铜板，顶层为表面贴装元件，底层为通孔插装元件（电容器、变压器和电源模块）。带基于AURIX™的模块的控制附加板使得MCU能被安置在LLC的顶层，方便在需要时进行更换。检测显示，该设计可达到约96-97 %的效率。

图9：LLC原型顶层（左）和底层（右），所示为CoolMOS™ CFD7A Easy1B压接电源模块。

支持双向CLLC

所描述的概念验证方法是根据现有的单向电能流动需求和400 V电池开发OBC的理想的第一步。而要支持V2G和V2L，只需对二次侧进行一些改动。一是用MCU代替同步整流电路来控制带栅极驱动器的全桥。针对闭环控制和设置电流方向，软件也需要改动。最后，二次侧需要增加谐振电容器和电感器。从硅转向CoolSiC™电源模块，能帮助支持更高的电池电压或输入电压。

SiC MOSFET OBC的演变

虽然SiC MOSFET带来的性能改进已令人印象深刻，但开发团队已在研究新一代OBC的需求。在节能省钱同时提升功能的市场压力下，希望通过改进SiC技术实现这些目标。

与任何半导体技术一样，器件参数改进为一系列折衷的结果。图10中所示的器件参数改进在理论上可实现，且随着技术的不断发展应能成为现实。并非所有的改进都是为了降低损耗，即便这也很重要。因为击穿电压更高而具有的坚固性，以及有助于简化冷却概念和提高可靠性的更低封装热阻，都是所需要的。封装和SiC MOSFET单元设计也有改进空间，而这可能使得导通电阻RDS(ON)和裸片面积减小，从而能够减小裸片电容和降低动态损耗。

氮化镓晶体管是另一种助力电能转换器创新的WBG技术，尤其适用于服务器、电信、无线充电、适配器和充电器以及音频等应用。

CoolGaN™完善了CoolSiC™技术，可支持最高600V的电压，是替代硅技术以提升效率的更好选择。其固有的高频能力被认为能帮助缩小充电器、电源和太阳能逆变器等系列应用的尺寸。GaN技术的发展势头，结合客户对成本效益和可靠性的期望，应能使GaN被更多行业和应用所接受。

能源效率的提高需要借助WBG功率器件等新型半导体材料。以面向汽车行业的双向OBC为例，它既结合了新型材料在应用中的益处，包括提高电能利用效率、缩小尺寸、减轻重量、降低总体成本等，也能支持V2G等创新的绿色能源用例。作为世界领先的Si、SiC和GaN技术供应商，英飞凌正与客户并肩开创更绿色、更可持续的未来。 

Reference:

[1]S. Abdel-Rahman，《LLC谐振转换器：运行和设计》，英飞凌，AN 2012-09，2012年9月