随着电动汽车(EV)销量的增长，对车载充电器(OBC)的性能要求也越来越高，原始设备制造商希望最大限度地减小这些组件的尺寸和重量，以帮助提高车辆续航里程。

　　目前，使用硅器件的OBC可以实现的功率密度水平通常为 2 kW/L。宽带隙器件可以实现超过 6 kW/L 的功率密度，这意味着功率密度提高了 3 倍。英飞凌将此数字用作使用 GaN HEMT 的三相 11 kw OBC 设计中的功率密度目标水平。在本文中，我们考虑了设计挑战、拓扑选择过程和最终设计的功能。

　　车载充电器规格

　　实现高功率密度 OBC 的主要挑战是宽输入和输出电压范围规格。世界各地的电网电压各不相同，增加了 PFC 整流器级设计的复杂性。输出电压范围取决于电动汽车电池电压，这对 DC/DC 级构成了进一步的挑战。平衡这些要求意味着在硬开关损耗或增加 RMS 电流之间进行选择，这两者都是不可取的。此外，随着更多可再生电力形式开始向电网供电，联网电动汽车提供的峰值功率调整被认为是稳定电网的一种手段，这使设计任务进一步复杂化，因为 OBC 现在还需要双向电力处理。

　　最终的设计规范是 OBC 必须能够通过单相和三相电网电源运行。假设每相的可用电流受到保险丝的限制，则具有 16 A 额定保险丝的 230 Vrms(线对中性点)相可提供 3.6 kW 的单相功率和 11 kW 的三相功率。虽然这对于传统三相系统(例如维也纳整流器)来说是可能的，但对于在美国运行的同一个 OBC，9.6 kW 需要带有 40 A 保险丝的 240 Vrms 分离式单相电网接口的权力。

　　选择 OBC 拓扑

　　以功率密度为 10 kW/L 的现有 10 kW EV 充电器为起点，寻求最大化 OBC 设计的功率密度。该充电器的规格如表 1 所示。

表1

　　最终的充电器设计(图 1)使用了带有稳压分体式直流母线的 Vienna 整流器 PFC，其上连接了四个具有 600 V 额定电压 GaN HEMT (IGOT60R042D1) 的级联双有源电桥 (DAB) DC/DC 转换器，以提供输出电压规定。就其本质而言，DAB 是双向拓扑，可以在降压和升压模式下执行 ZVS，使其适合电动汽车充电器和 OBC 中的高频操作。通过用有源开关替换Vienna整流器PFC的整流二极管，可以实现同步整流和完全双向功率转换。

图1

　　OBC 设计特点

　　该设计的三个关键特征使更高的功率密度成为可能。首先，工作频率为 560 kHz 的新型 1/3-PWM 协同调制方案使用 DC-DC 级来控制直流母线电压，因此在 AC/DC 级中，任何时候只有三相中的一相进行切换。这样做的优点是可以减少由 AC/DC 级开关损耗引起的功耗，并且还可以将直流母线电压降低至升压拓扑的最低可能值，即降低至线路的六脉冲包络线电压和/或最大线电压。通过降低后续 DC/DC 转换器所需的电压传输比，这对于 DC/DC 级也具有优势。例如，最小系统输出电压为 250 V

　　其次，使用占空比、相移和开关频率的自由度来调制 DAB，以在宽输入和输出电压范围内实现 ZVS。具有两个有源全桥的拓扑允许在很宽的范围内控制电压。然而，确定变压器和半导体器件的开关损耗和传导损耗之间的最佳平衡是一个挑战。DAB 最有利的工作点是初级和次级之间的电压传输比与匝数比相同的工作点，此时存在低 RMS 电流，并且所有桥臂中都有 ZVS 转换。然而，当调制 DAB 超出自然电压传输比时，先进的调制方案可用于最大限度地减少给定工作参数集的损耗。在这些条件下，自由度是初级侧和次级侧之间的相移，允许控制从初级到次级(或反之亦然)的功率流。

图2

　　最后，与硅和碳化硅器件相比，GaN GIT HEMT 器件在相同导通电阻的情况下具有更小的输出电容，从而能够在更低的电流水平下实现完全 ZVS。它们还具有极低的特定 Rdson 值，并且能够在部分硬开关和硬开关模式下运行。通过将先进的控制和调制方案与 GaN 器件在不同开关条件下的卓越性能相结合，可以实现下一代电动汽车 OBC 所需的功率密度水平。最终电动汽车充电器设计(图 2)的无外壳功率密度为 10kW/L，尺寸为 17.8 x 400 x 140 mm。

　　GaN HEMT 的要点

　　GaN HEMT 具有适合高频操作的固有特性，这使得它们能够在硬开关和软开关状态下工作。这使得它们能够用于先进的调制和控制方案，从而可以在高功率密度的设计中实现宽输入和输出电压范围。英飞凌已经证明，这些器件将能够实现电动汽车中下一代 OBC 充电器所需的功率密度水平。