【導讀】長期以來，里程焦慮和充電設備有限一直是電動汽車普及的主要障礙。即使汽車制造商已經證明其電池可以支持更長距離的行駛，并且充電站數量也已經激增，但電動汽車充電仍然存在諸多挑戰，不過這同時也為平衡電網負荷提供了機遇。
向電動汽車的轉型同時也意味著要研究如何更好地與電網的互動。電動汽車配備了重量更輕、功率密度更高的電池，不僅可以增加行駛里程，并且還有可能用于支持獨立負載。同時，車載充電機（OBC）向雙向能量傳輸方向的更新演進，使得 OBC 既能從電網獲取電能，又可將電能反饋至電網。
Wolfspeed 屢獲殊榮的 6.6 kW 雙向 OBC，基于其新型 650 V 碳化硅（SiC）MOSFET，能夠在電動汽車和為其供電的電網的發展演進中發揮至關重要作用。
OBC 的單向挑戰
除了在最崎嶇和最偏僻的地區外，燃油車駕駛員很少擔心汽車在加油站之間沒油。但電動汽車自問世以來，就一直有著對于行駛里程的擔憂。盡管充電站正在變得越來越普遍，并被集成到新的住宅開發中，但電動汽車可以跑多遠、電池容量以及電量保持時間仍是有待改進的領域。
OBC 的數量在不斷增長，并且隨著電動汽車本身的發展而發展，但 OBC 的功率沒有快速充電機那么大。快速充電機可在一個小時左右的時間為汽車充好電，而 OBC 則需六至七個小時。單向OBC 的一個更大缺點是，停駛的車輛會慢慢放電，這既浪費了電能，也浪費了金錢。但此問題也倒逼出一種解決方案。它為電動汽車打開了向電網反饋電能的大門，而不是讓能量緩慢“泄漏”。雙向能量傳輸的 OBC 不僅可從電網中獲取電能，且可以反饋能量至電網。從而使得一輛電動汽車可以助力一座城市整體電力基礎設施的負載平衡。
雙向性同時也對需要充-放電循環的車載電池有好處，而不是總以 80％的電量充電。車載電池最好也要偶爾完全放電，這與智能手機的情況很相似。在大多數情況下，保持電池充滿電也就意味著你的所有組件始終處于充電狀態，這會縮短其使用壽命。這也就意味著要提前更換電池，和智能手機一樣，這是件很費錢的事。在理想條件下，OBC 應該可以在汽車電量剩下 30％的時候智能感測到這一情況的發生，然后通過將這些剩余電能反饋至住宅所在電網以及再將汽車重新充滿電，從而進行電池的充-放電循環。
采用雙向 OBC 的目的是期望可以在傳送過程中以最小的損耗有效地來回傳送電能。盡管有多種解決方案選擇，但 Wolfspeed SiC MOSFET 在優化雙向 OBC 方面仍然比其它器件有著更多優勢。
OBC 的電網供電機會
OBC 解決了由于充電站基礎建設和非車載充電機配備有限而引發的擔憂。非車載充電機雖然速度快，但只能在充電站使用，并且有時候它們還是專有的或有使用限制的。此外，每天花在前往充電站及等待的時間，就通勤而言，時間成本顯得有些得不償失。
盡管 OBC 比充電站的非車載充電更具優勢，但其充電速度較慢，這意味著需要夜晚在家里或白天上班時充電，這與大多數人給其智能手機充電的方式相同。這就是為什么 OBC 車輛中的電池需要循環使用的原因，這也使得雙向充電水到渠成。
在中國，雙向 OBC 實際上將汽車變成了一個移動電源，這成為對客戶的一個有價值的賣點。
雙向 OBC 可能實現的另一種應用場景是，可將多輛汽車在一個電力網絡中互聯互接，以產生大量電能為電網供電。個人可以在夜間以低費率“購買”電能，再在白天以高價“賣”回。
當今的雙向 OBC 可以是基于絕緣柵雙極晶體管（IBGT-）或碳化硅（SiC-）的。 SiC 器件是 OBC的最佳解決方案，因為與 Si 器件相比，它們尺寸更小、整體系統成本更低、效率更高。
高效雙向 OBC 的 SiC 解決方案
鑒于 SiC 的諸多優勢，Cree 旗下 Wolfspeed 著手設計基于 SiC MOSFET 的 6.6 kW 雙向電動汽車OBC。
設計的目標是開發出一種具有高功率密度的高效雙向 OBC，可用于支持獨立負載并反饋電網電能。一種數字控制的參考設計實現了這一訴求，其連續導通模式（CCM）圖騰柱（totem pole）PFC 的開關頻率為 67 kHz、CLLC 諧振變換器的開關頻率為 150-300 kHz，可實現 54 W/in3的功率密度和高于 96.5％的峰值效率。
鑒于需要優化電動汽車的空間和重量，高密度和效率最大化就變得至關重要。Wolfspeed 的 OBC方案由雙向 AC-DC 轉換器和絕緣型的雙向 DC-DC 轉換器組成，能夠在充電和放電模式下均能提供高效率和寬輸出電壓范圍。
為了降低傳輸損耗，Wolfspeed 避開了傳統的 PFC 升壓轉換器，因為二極管橋式整流器的損耗大，也不支持雙向操作。由于 SiC MOSFET 的體二極管具有良好的反向恢復性能，因此可以使用交錯式 CCM 圖騰柱 PFC 作為 6.6 kW OBC 的前級。
設計 OBC 時，熱管理也至關重要。通常，將 TO-247 封裝的 MOSFET 反向組裝在 PCB 上，然后安裝在平坦的冷卻基板上。但是，由于 MOSFET 向下彎曲，因此 PCB 面積增加了。這會對系統的整體功率密度產生不良影響。因此，使用了工具化的散熱器來容納半導體和磁性材料。通過將功率
半導體安裝在散熱器的外側，可以實現垂直 MOSFET 組裝，從而減小了 PCB 的面積。然后，使用散熱片槽隙內的導熱膠灌封磁性材料。最終實現工具化鋁制散熱器到系統冷卻基板間較低的熱阻。
基于 SiC MOSFET 的 6.6 kW 雙向 OBC 轉換器在充電和放電模式下的實驗結果表明，其效率和功率密度都很高，因此雙向 OBC 不僅可以高效地對電池進行充放電循環，還可以更有效地將電能反饋至電網。
高能效原型
通過設計和評估在 6.6kW 雙向 OBC 方案中采用其新型 650 V SiC MOSFET，Wolfspeed 展示了為開發 OBC，如何在 250-450 V 的普通電池電壓范圍內，將直流母線電壓范圍優化為 385-425 V。
此外，實驗樣機驗證了該設計的性能和熱完整性。由于 650 V SiC MOSFET 的低功率損耗，以及通過將功率半導體和功率磁性元件集成在同一工具化散熱器上，我們可以在雙向高功率轉換應用（例如 OBC）中可以實現高功率密度和高效率。
關于此參考設計和其它相關的更多信息，敬請訪問 Wolfspeed 參考設計頁面。
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