碳化硅在汽車充電器中的應用與設計方案
雖然“續航焦慮”一直存在，但混合動力、純電動等各種形式的電動汽車 (EV) 正被越來越多的人所接受。汽車制造商繼續努力提高電動汽車的行駛里程并縮短充電時間，以克服這個影響采用率的重要障礙。電動汽車的易用性和便利性受到充電方式的顯著影響。由于高功率充電站數量有限，相當一部分車主仍然需要依賴車載充電器 (OBC) 來為電動汽車充電。為了提高車載充電器的性能，汽車制造商正在探索采用碳化硅 (SiC) 等新技術。
車載充電器應用中的 SiC
對于 400 V 電池組，通常首選 SiC 650 V 器件。然而，對于 800 V 結構，由于具有更高的電壓要求，因此需要使用額定電壓為 1200 V 的器件。
車載充電器領域采用 SiC 的原因是其各項品質因數 (FOM) 表現出色。SiC 在單位面積的具體 RDS(on)、開關損耗、反向恢復二極管和擊穿電壓方面具備優勢。這些優勢使得基于 SiC 的方案能夠在更高的溫度下可靠地運行。利用這些出色的性能特點，可以實現更高效、更輕量的設計。因此，系統可以實現更高的功率水平（最高可達 22 kW），而這是使用基于硅的傳統方案（如 IGBT 或超結）難以實現的。
雖然電動汽車采用更高功率的車載充電器可能不會直接影響汽車的續航里程，但它能夠顯著縮短充電時間，有助于解決續航焦慮問題。為了實現更快的充電速度，車載充電器的功率正在不斷提高。SiC 技術發揮著至關重要的作用，使這些系統變得更加高效，確保高效地轉換電網電力，避免能源浪費。該技術使人們能夠設計更緊湊、輕量和可靠的車載充電器系統。
碳化硅將提升電動汽車續航能力和縮短電動汽車充電時間
相較于燃油車，電動汽車消費者對當前有限的續航里程和相對漫長的充電時間常常感到焦慮。雖然車企在動力電池、BMS、電機、電控和 OBC 等產品技術上做了很多優化和提升，但相比燃油車，續航里程受限和充電時間長是電動汽車推廣的兩大痛點。
? 續航里程。相比硅基IGBT，碳化硅MOSFET有著眾多優點：1）碳化硅在關斷時無拖尾電流，可以降低損耗；2）碳化硅的高開關頻率特性，不僅可降低損耗，由于對散熱效率要求相對低，還可減輕和驅動零部件和散熱零部件重量和體積，周邊器件的成本隨之降低；3）在車輛勻速和輕載情況下，因為低損耗，可提升5%-10%的續航里程。另外，采用800V高壓平臺的電動汽車，同等功率下，系統電流可以比400V電壓平臺更小，故高壓線束直徑可以做的更細，線束重量和體積可以更小，電動汽車變的更輕，續航能力也會得到相應提升。
? 充電時間。汽車充電樁一般分為交流慢充和直流快充。
交流慢充指的是電動汽車通過公共或個人充電樁，需要借用車載充電器（OBC）交直流轉換給汽車充電。交流慢充的優點是成本低，電池損耗慢；缺點是充電時間長，充電時間長短取決于OBC的額定功率（常規在3kW-9kW）。目前OBC主要采用硅基IGBT或SJ MOSFET方案，電池充滿電時間一般需要4-8小時。相比之下，碳化硅MOSFET可以耐受更高電壓，使得OBC擁有更高的額定功率。例如采用意法半導體的碳化硅技術，可以將OBC的額定功率提升至22kW 甚至更高，充電時間可以大大縮短。
直流快充是指充電樁自身內部實現交直流轉換模塊，無需借用OBC，將電網或儲能設備中的交流電轉換成直流電，直接給汽車充電。直流快充功率取決于充電樁自身輸出功率和BMS（電池管理系統），如電池電壓升級至 800V，直流快充功率通常將超過120 kW，碳化硅器件的高功率特性即可有其用武之地，進而提高充電效率和縮短充電時間。
另外，800V動力電池平臺相比400V動力電池平臺，在相同的系統電流和高壓線束直徑下，電池的充電時間或將縮短一半。
SiC高壓充電設計要求
基于SiC的高壓超大功率雙向車載充電機平臺化設計的原則是高效、可靠、安全、可擴展。高效性要求充電機具備高轉換效率和低功耗，以提高充電速度和充電效率；可靠性要求充電機具備穩定可靠的工作性能，以確保充電過程的安全和可靠；安全性要求充電機具備多重保護機制，以防止電池過充、過放、短路等故障；可擴展性要求充電機具備一定的靈活性和可升級性，以適應不同類型的電動汽車和充電需求。
（1）SiC功率器件的應用：SiC功率器件具有高溫、高頻、高壓等特點，能夠提供更高的功率密度和更好的熱性能，使得充電機具備更高的轉換效率和更小的體積。因此，在設計中應充分利用SiC功率器件的優勢，提高整體性能。
（2）雙向充電技術：雙向充電技術能夠實現電動汽車與電網之間的雙向能量傳輸，不僅可以將電動汽車作為移動儲能設備，還可以將多余的電能反饋到電網中。在設計中，應充分考慮雙向充電技術的實現，以提高能量利用率。
（3）智能控制系統：智能控制系統是高壓超大功率雙向車載充電機平臺化設計的關鍵。通過采用先進的控制算法和通信技術，實現對充電機的智能化控制和遠程監控。智能控制系統能夠實時監測電池狀態、充電效率等參數，并根據需求進行調整，提高充電效率和充電質量。
未來應用前景
基于SiC的高壓超大功率雙向車載充電機平臺化設計具有廣闊的應用前景。首先，它可以滿足電動汽車充電的高效、快速、安全需求，提高電動汽車的使用便利性和用戶體驗。其次，它可以實現電動汽車與電網之間的雙向能量傳輸，促進電能的有效利用和能源的可持續發展。最后，它可以促進電動汽車產業鏈的發展和完善，推動電動汽車產業的快速發展。
基于SiC的高壓超大功率雙向車載充電機平臺化設計是電動汽車充電基礎設施發展的重要方向。通過遵循高效、可靠、安全、可擴展的設計原則，充分利用SiC功率器件的特點，采用雙向充電技術和智能控制系統，可以實現高效、快速、安全的電動汽車充電。這將為電動汽車的普及和發展提供強有力的支持，推動清潔能源交通的進一步推廣。
