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
，不僅可以增加行駛裏程，並且還有可能用於支持獨立負載。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，基於其新型 650 V 碳化矽（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(chu)了(le)在(zai)最(zui)崎(qi)嶇(qu)和(he)最(zui)偏(pian)僻(pi)的(de)地(di)區(qu)外(wai)，燃(ran)油(you)車(che)駕(jia)駛(shi)員(yuan)很(hen)少(shao)擔(dan)心(xin)汽(qi)車(che)在(zai)加(jia)油(you)站(zhan)之(zhi)間(jian)沒(mei)油(you)。但(dan)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)自(zi)問(wen)世(shi)以(yi)來(lai)
，就(jiu)一(yi)直(zhi)有(you)著(zhe)對(dui)於(yu)行(xing)駛(shi)裏(li)程(cheng)的(de)擔(dan)憂(you)。盡(jin)管(guan)充(chong)電(dian)站(zhan)正(zheng)在(zai)變(bian)得(de)越(yue)來(lai)越(yue)普(pu)遍(bian)，並(bing)被(bei)集(ji)成(cheng)到(dao)新(xin)的(de)住(zhu)宅(zhai)開(kai)發(fa)中(zhong)，但(dan)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)可(ke)以(yi)跑(pao)多(duo)遠(yuan)、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
，並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麼大。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(de)一(yi)個(ge)更(geng)大(da)缺(que)點(dian)是(shi)

，停(ting)駛(shi)的(de)車(che)輛(liang)會(hui)慢(man)慢(man)放(fang)電(dian)，這(zhe)既(ji)浪(lang)費(fei)了(le)電(dian)能(neng)，也(ye)浪(lang)費(fei)了(le)金(jin)錢(qian)。但(dan)此(ci)問(wen)題(ti)也(ye)倒(dao)逼(bi)出(chu)一(yi)種(zhong)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。它(ta)為(wei)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)打(da)開(kai)了(le)向(xiang)電(dian)網(wang)反(fan)饋(kui)電(dian)能(neng)的(de)大(da)門(men)

，而(er)不(bu)是(shi)讓(rang)能(neng)量(liang)緩(huan)慢(man)“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％dedianliangchongdian。chezaidianchizuihaoyeyaoouerwanquanfangdian
，zheyuzhinengshoujideqingkuanghenxiangsi。zaidaduoshuqingkuangxia
，baochidianchichongmandianyejiuyiweizhenidesuoyouzujianshizhongchuyuchongdianzhuangtai，zhehuisuoduanqishiyongshouming。zheyejiuyiweizheyaotiqiangenghuandianchi，hezhinengshoujiyiyang，zheshijianhenfeiqiandeshi。zailixiangtiaojianxia，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
，然後通過將這些剩餘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 方麵仍然比其它器件有著更多優勢。

 

OBC 的電網供電機會

 

OBC 解jie決jue了le由you於yu充chong電dian站zhan基ji礎chu建jian設she和he非fei車che載zai充chong電dian機ji配pei備bei有you限xian而er引yin發fa的de擔dan憂you。非fei車che載zai充chong電dian機ji雖sui然ran速su度du快kuai
，但dan隻zhi能neng在zai充chong電dian站zhan使shi用yong，並bing且qie有you時shi候hou它ta們men還hai是shi專zhuan有you的de或huo有you使shi用yong限xian製zhi的de。此ci外wai
，每mei天tian花hua在zai前qian往wang充chong電dian站zhan及ji等deng待dai的de時shi間jian

，就jiu通tong勤qin而er言yan，時shi間jian成cheng本ben顯xian得de有you些xie得de不bu償chang失shi。

 

盡管 OBC 比(bi)充(chong)電(dian)站(zhan)的(de)非(fei)車(che)載(zai)充(chong)電(dian)更(geng)具(ju)優(you)勢(shi)
，但(dan)其(qi)充(chong)電(dian)速(su)度(du)較(jiao)慢(man)，這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)需(xu)要(yao)夜(ye)晚(wan)在(zai)家(jia)裏(li)或(huo)白(bai)天(tian)上(shang)班(ban)時(shi)充(chong)電(dian)
，這(zhe)與(yu)大(da)多(duo)數(shu)人(ren)給(gei)其(qi)智(zhi)能(neng)手(shou)機(ji)充(chong)電(dian)的(de)方(fang)式(shi)相(xiang)同(tong)。這(zhe)就(jiu)是(shi)為(wei)什(shen)麼(me) 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 可以是基於絕緣柵雙極晶體管（IBGT-）或碳化矽（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、整體係統成本更低、效率更高。

 

高效雙向 OBC 的 SiC 解決方案

 

鑒於 SiC 的諸多優勢，Cree 旗下 Wolfspeed 著手設計基於 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，可用於支持獨立負載並反饋電網電能。一種數字控製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的功率密度和高於 96.5％的峰值效率。

 

鑒於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範圍。

 

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。由於 SiC MOSFET 的體二極管具有良好的反向恢複性能，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，然後安裝在平坦的冷卻基板上。但是，由於 MOSFET 向下彎曲，因此 PCB 麵積增加了。這會對係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 的麵積。然後，使用散熱片槽隙內的導熱膠灌封磁性材料。最終實現工具化鋁製散熱器到係統冷卻基板間較低的熱阻。

 

基於 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 的普通電池電壓範圍內
，將直流母線電壓範圍優化為 385-425 V。

 

此外，實驗樣機驗證了該設計的性能和熱完整性。由於 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。

 

關於此參考設計和其它相關的更多信息
，敬請訪問 Wolfspeed 參考設計頁麵。

 

 

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