碳化硅功率器件在OBC中的应用

1、什么是OBC

车载充电机OBC（On-board Charger）是指固定安装在新能源汽车上的充电机，具有为新能源汽车动力电池，安全、自动充满电的能力，充电机依据电池管理系统（BMS）提供的数据，能动态调节充电电流或电压参数，执行相应的动作，完成充电过程。

对于新能源汽车普通消费者而言，主要关注两个体验：一个是驾乘体验，包括动力性、舒适性、娱乐性等；另外一个则是充电体验。

充电体验是个什么概念呢？结合OBC的规格参数来说， 11kW的OBC，意味着充满88kWh的电池（续航里程大概在650km-750km），需要8h。如果与充满一部手机或者加满一辆燃油车的时间来对比，这个时间无疑是漫长。

但需要注意的是，11kWh的OBC实际上已经算是功率较高的水平，满足日常需求完全没问题

因此不断提高充电速率是OBC的发展方向。

大致的了解了OBC背景，接下来看一下OBC内部设计。

OBC由PFC（Power Factor Correction：功率因数校正器） + 隔离DC-DC组成的AC-DC转换器。

常见的OBC功率水平及PFC拓扑结构矩阵如下：

常见的OBC功率水平及DC-DC拓扑结构矩阵如下:

2、碳化硅功率器件在OBC中的应用

OBC典型电气结构由PFC和DC/DC两部分组成 ，典型拓扑如图（二）所示。

图（二）6.6kW OBC典型拓扑电路

二极管和开关管（IGBT、MOSFET等）是OBC中主要应用的功率半导体器件。

2.1碳化硅肖特基二极管在OBC中的应用

如图（二）所示，OBC的前级PFC电路和后级DC/DC输出电路中会使用到二极管（Da、Db、D1、D2、D3、D4），对于二极管应用而言，二极管会根据应用的开关频率在正向导通和反向截止状态切换。

二极管工作在正向导通状态时，为了降低二极管自身的导通损耗，需要选择正向导通压降（VF）值尽可能低的二极管。

二极管工作在反向截止状态时，为了降低其截止状态下反向漏电流（IR）带来的损耗，需要选择反向漏电流小的二极管。

二极管在开关状态切换时，为了降低其开通关断过程的损耗，需要选择输入电容（QC）小、开通关断速度快的二极管。

在碳化硅功率器件批量应用前，硅基超快恢复二极管在OBC的PFC电路有广泛应用，而在输出电路中，半导体厂商可以提供低VF值的产品来应对客户的应用需求，但是上述单一性能优秀的产品也存在明显的弱点，只能适用于特定的领域。碳化硅材料的出现让二极管的VF 、IR 、QC等技术指标同时满足不同应用要求成为了可能。

相比与硅基肖特基二极管，碳化硅肖特基二极管的最大优势在于反向恢复电流IR可以忽略不计。

图（三）碳化硅二极管与硅二极管反向恢复电流对比

对于OBC的PFC电路而言，硅基肖特基二极管的反向恢复损耗在其整体损耗中占据相当的比重，在PFC电路使用碳化硅肖特基二极管可有效提升PFC电路的效率；

碳化硅肖特基二极管的QC和VF两个主要参数相比硅基二极管也具有一定优势，在OBC的后级输出电路中使用碳化硅二极管可以进一步提升输出整流的效率。

2.2碳化硅MOSFET在OBC中的应用

在单相交流输入的OBC（拓扑图参考图二）应用中，DC/DC的前段需要使用开关管将直流电压逆变成交流电压，由于PFC输出的直流电压在400V以下，且系统功率不超过6.6kW，选择650V、20A的开关管即可。在650V 20A的档位的开关管中，CoolMOSTM导通电阻和输入电容QC在硅基产品中处于领先地位；650V碳化硅MOSFET跟650V CoolMOSTM相比，虽然其导通电阻和输入电容都有一定的优势，但价格要比同规格CoolMOSTM高3-5倍，实际应用中CoolMOSTM在此市场中占据着主导地位。

缩短充电时间和提升动力电池电压是新能源汽车发展的两个主要课题：对于车载充电而言，单相OBC受交流电进线电流限制，功率最大只能做到6.6kW，采用三相输入的模式可以将目前6.6kW的功率提升到11kW，大幅提升充电速度；电池电压提升对于OBC技术的发展具有重要意义。

输入电压由单相220V AC变成三相380V AC后，PFC电输出级的电压会相应提高到550V左右，如果采用两电平拓扑结构，650V的CoolMOSTM已经无法满足要求，需要选用900V/1200V的开关管器件。

电池电压的提升，意味着OBC后级输出电压升高，配合目前OBC从单向到双向的发展趋势，DC/DC次级器件会从目前的650V二极管转变成900V/1200V的开关管。

900V及以上规格CoolMOSTM产品成本较高，性能上与碳化硅MOSFET的差距比650V的器件更大，因此900V/1200V碳化硅MOSFET在三相11kW OBC中有着广阔的应用前景。各车载电源厂家已经陆续开始开发三相11kW OBC，首选方案均考虑使用碳化硅MOSFET作为DC/DC输入级开关管，可以预见，未来三相11kW OBC将会成为碳化硅MOSFET的主要应用场景之一。

图（四）双向OBC拓扑简图

结合新能源汽车行业的发展趋势和碳化硅功率器件的特点，碳化硅二极管和MOSFET已经在OBC应用中占据一定市场份额，未来的市场占比会逐步扩大，具备较为广阔的市场。

3、新一代符合OBC应用的碳化硅功率器件

碳化硅功率器件相比硅基器件具有很多优势，但部分技术指标和参数需要进一步提升，才能更好的适用于OBC系统。

3.1新一代碳化硅肖特基二极管

PFC电路是碳化硅二极管在OBC系统中的主要应用电路之一，其对二极管器件的抗浪涌能力要求较高，相比于硅基二极管，碳化硅二极管的抗浪涌电流能力相对较弱。如何在保证VF 、IR 、QC等核心参数不变或提升的情况下，提升器件的抗浪涌电流能力是碳化硅二极管发展面临的重要课题之一。基本半导体推出的适合OBC行业应用的650V、20A碳化硅肖特基二极管（B1D20065HC），与国际主流竞争对手相比，主要技术参数与对手处在同一水平线或达到业内领先水平。

图（五）650V、20A碳化硅肖特基二极管与竞品主要参数对比

3.2新一代碳化硅MOSFET

碳化硅MOSFET开关速度快，开启电压Vth相比硅MOS要低不少，如何降低碳化硅MOSFET在高频应用中的误动作风险，是工程师在应用中碰到的最大问题。

如图（六）、图（七）所示，采用开尔文封装工艺，将传统的TO-247-3封装变成TO-247-4封装，可实现碳化硅MOSFET功率源极和驱动源极分开，有效降低碳化硅MOSFET关断时L*di/dt对碳化硅MOSFET栅极的影响，降低MOSFET误动作的风险。

图（六） TO-247-3封装碳化硅MOSFET 关断过程简图

图（七） TO-247-4封装碳化硅MOSFET关断过程

云南昆明第三期新能源汽车维修技术人员职业技能等级认证培训通知

一、培训机构

1.1、授权单位

中国汽车维修行业协会

1.2、主办单位

北京汇智慧众汽车技术研究院

国家开放大学汽车学院

1.3、承办单位

忠德永汇（云南）教育科技有限公司

云南辰华汽车服务有限公司

二、培训及考证对象及报名须知

2.1、培训及考证对象

主要面向汽车维修企业、主机厂的新能源汽车维护与修理及销售服务的从业人员、职业院校（含技工技师类）教师和相关专业的学生等人员。

2.2、报名信息

（1）联系人：张老师：13301294520

杨老师：18108726932

（2）报名邮箱：695252239@qq.com

（3）报名地点：昆明市官渡区关上街道宝海路158号云南辰华汽车服务有限公司

（4）报名时间：2022年02月25日-03月14日

三、培训亮点

准入许可（低压电工）+行业认证+车型培训

3.1准入许可（低压电工证）

中华人民共和国交通行业标注JT/T1344-2020规定纯电动汽车高压系统维护作业人员应取得电工特种作业操作证，并经专业培训合格后上岗。

3.2中国汽车维修行业协会认证

1.新能源汽车基础知识。

2.新能源汽车维修安全与防护。

3.新能源汽车维护保养。

4.新能源汽车电路图识读。

5.新能源汽车安全机制与常见故障诊断。

6.新能源汽车动力蓄电池拆装维护。

……（更多精彩内容现场呈现）

3.3车型培训

将以云南市场保有量最多的北汽新能源车型和2022年全国职业院校技能大赛比赛用车2021款大众ID4（长续航PURE版）为实操用车。

3.4专家讲师

四、培训费用及时间

4.1、初级考证费用

新能源汽车初级认证培训费用：1580

新能源汽车初级认证培训费用+低压电工操作证书：2580

注：培训费用包含培训期间午餐费用，早餐晚餐及住宿费用需自理。以上所收费用含线上及线下培训费、材料费、实训耗材费及认费。

4.2、缴费方式

电汇转账、刷卡、微信、支付宝

4.3、培训时间

2022年3月14日-2022年3月18日，共计五天。（其中14-15日为低压电工证培训及考核，16-18日为新能源汽车初级认证培训）

五、往期培训精彩瞬间

六、培训证书及线下培训地点

6.1、培训证书

完成培训并考核合格后由中国汽车维修行业协会颁发新能源汽车维修技术人员职业技能等级培训认证证书。

6.2、线下培训地点

昆明市官渡区关上街道宝海路158号

七、报名回执

注：《回执》务必请于2022年03月14日前回传，点击上图报名参加。

我们专注于此，并全身心的投入其中，
愿意汇“智“，更愿意”慧（惠）”众！
我们提供新能源汽车系统化理实结合的技术培训方案。
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咨询电话：
18518951802（微信同号）
E-mail：
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