根据ST (意法半导体)在最近的APEC 2023上发表的演讲，本文将介绍用于高频车载充电器(OBC)的混合双向功率因数校正(PFC)的设计。
还将研究在标准和混合配置中使用能够实现更高频率工作的宽禁带(WBG)器件的优势。氮化镓(GaN)功率器件是在PFC电路中实现更高效率的有前途且有吸引力的解决方案。
在电动汽车(EV)中，车载充电器允许从外部电源为汽车电池充电。OBC的两种主要类型是单相和三相OBC。单相OBC架构需要来自电网的单相(L1)交流电流。该拓扑结构广泛用于3.3kW和6.6kW的额定功率。三相拓扑已经出现，以满足高功率的需求，通常为11kW至22kW。
单相OBC可以使用标准电源插座为电动汽车充电，而三相OBC需要三相电源插座，这在商用和工业环境中更为常见。
电动汽车OBC设计的最新趋势包括：
PFC级是减少功率损耗和实现更高效率所必需的，它需要管理更高的功率水平和电压、双向传输、紧凑的尺寸和高效的热管理。多级拓扑和WBG半导体是应对这些主要趋势的关键因素。
碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等宽禁带材料可以在更高的开关频率下工作，提供比传统硅基IGBT和MOSFET更高的输出功率。WBG半导体的其他相关特性包括更低的开关损耗、更高的击穿电压(由于单位面积的导通电阻降低了10倍)以及更高的工作温度，从而减少了对外部散热的需求。
由于以功率转换器为代表的负载的非线性，车载充电器在从电网吸收电力时会产生非正弦电流。电流波形的失真带来了一些不利因素，包括：
解决方案是在AC-DC功率转换器中引入PFC级。在用于实现模拟前端(AFE)PFC的不同解决方案中，多级拓扑(例如六开关和T型AFE)正在出现，因为它们具有合成功能并且能够比2级转换器更好地逼近正弦波形 (见图1)。
图1：OBC AFE中的多级拓扑(来源：ST)
OBC AFE中多级方法的主要优点如下：
此解决方案的缺点是：
ST分析了不同类型的车载充电器AFE拓扑结构，重点关注以下两个主要比较：
两级拓扑是单相应用中广泛使用的最简单的PFC拓扑。这种拓扑结构每相使用一个开关和一个二极管桥式整流器。它根据输入电压和开关频率以连续或断续导通模式运行。
PFC级的三级拓扑用于大功率应用，具有多项优势。这种拓扑结构每相使用两个开关和一个二极管桥式整流器。它比两级拓扑更高效，可以实现更高的功率因数。此外，它可以在准谐振模式下运行，从而减少开关损耗和电磁干扰。
拓扑比较中采用的方法基于初始的器件特性，然后通过数学模型估算功率损耗，最后比较结果侧重于整体效率。
第一步比较由1200V 45mΩ SiC开关组成的转换器支路的两级拓扑与由垂直支路(1200V 45mΩ SiC开关)和水平支路(650V 40mΩ SiC开关)组成的三级拓扑。第一次评估是在以下工作条件下进行的：
实验结果表明，3LTTC拓扑在0-15kW输出功率范围内比2LC拓扑实现了更高的效率(在45和150kHz下)。此行为(参见图2)在两个OBC方向(AC-DC和DC-AC)上得到了复制。效率的评估仅考虑了半导体损耗。
图2：效率比较：2L与3L(来源：ST)
第二步将之前描述的具有垂直支路(1200V 45mΩ SiC开关)和水平支路(650V 40mΩ SiC开关)的三级拓扑与具有相同的SiC基的垂直支路和由650V 40mΩ GaN开关组成的水平支路的混合GaN加SiC拓扑进行比较。该评估是在与第一次测试相同的操作条件下进行的。
对于SiC和GaN，仅考虑半导体的水平支路器件功率损耗几乎相同，在输出功率接近6kW的情况下。高于此阈值时，GaN在两种开关频率下的功率损耗均略高于SiC。
在系统效率方面的比较，实验结果表明，GaN功率器件在接近6.5kW以上的输出功率下实现了比碳化硅更高的效率。在两种开关频率中都观察到了这种趋势。此外，在这种情况下，系统效率的评估仅考虑了半导体损耗。
对用于高频车载充电器的混合双向PFC的分析突出了GaN和SiC等宽禁带半导体在高频工作中带来的优势。随着氮化镓功率器件的制造成本持续下降，我们预计这种半导体将成为未来高效PFC的一个有吸引力的解决方案。
(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News，参考链接：Design of hybrid PFC stage in WBG-based bidirectional onboard charger，由Ricardo Xie编译。)
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