随着世界逐步转向清洁能源，电动汽车（EV）在运输领域的应用正在快速增长。配备足够电池容量的电动汽车不仅能用于常规充电，还能够支持独立负载（V2L）和补充电网电力（V2G）。因此，电动汽车的车载充电机（OBC）设计趋势正在朝着支持双向操作的方向发展。

为了优化电动汽车的空间和重量，OBC设计需要具备高功率密度和高效率。双向OBC通常由一个双向AC-DC转换器和一个隔离式双向DC-DC转换器组成。传统的LLC谐振转换器最初被提出用于提高DC-DC转换器的效率。然而，由于其单向设计，LLC转换器在反向工作模式下的电压增益受限，无法实现其预期的性能优势。为了克服这一问题，双向CLLC（并联谐振转换器）被选用于DC-DC级，因为它在充电和放电模式下都能提供高效能和宽广的输出电压范围。

传统的PFC（功率因数校正）拓扑结构为单相升压转换器。然而，二极管桥整流器的传导损耗较大，且不支持双向操作。为了提高效率并减少二极管数量，图腾柱无桥PFC升压转换器被提出。然而，硅MOSFET的体二极管反向恢复特性导致高功率损耗，使其不适合高功率应用。因此，使用与SiC肖特基二极管并联的IGBT（绝缘栅双极型晶体管）替代了硅MOSFET，但由于IGBT的开关损耗较高，实际开关频率受到限制，进一步影响了设计的高功率密度目标。

为了实现高功率密度和效率，选择了具有良好反向恢复特性的SiC MOSFET体二极管，用于交错式CCM（连续导通模式）图腾柱PFC前端电路，以此支持3.3kW OBC设计。在热管理方面，TO-247封装的MOSFET通常会被反向安装到PCB上，再将其安装到平坦的冷却基板上。然而，这样的布局会增加PCB的面积，影响整体功率密度。

为了解决这一问题，可以采用集成了半导体和磁性器件的工具散热器。功率半导体安装在散热器外侧，允许垂直组装MOSFET，减少PCB的占用面积。然后，使用热化合物将磁性材料封装到散热器的插槽内，从而实现低热阻设计。这种方案可大大降低从铝散热器到冷却基板的热阻。例如，采用SiC MOSFET设计的6.6kW双向OBC实验结果表明，该变换器在充电模式和放电模式下均表现出高效率和高功率密度。

双向OBC的规格和架构

6.6kW双向车载充电机的主要设计规格如下：

• 交流输入/输出电压：90 – 265V AC

• 直流输入/输出电压：250 – 450V DC

• 额定充电功率：6.6kW；放电功率：3.3kW

• 充电和放电峰值效率：>96.5%

• 底板温度：65°C

• PCBA尺寸：220 x 180 x 50mm

系统框图和直流母线电压选择

图1展示了基于1200V SiC MOSFET的OBC设计，该设计适用于250-450V电池电压，且直流母线电压范围为500-840V可变。通过优化，OBC整体效率得以提升，但1200V SiC MOSFET的成本较高，且PFC MOSFET和PFC扼流圈的功率损耗也随着直流母线电压的提高而增加。为此，设计中使用了两个500V或450V额定的E型电容器来设计840V的直流链路。

通过调整直流母线电压至385-425V，可以确保为高达265V AC的交流输入提供足够的功率。在本设计中，直流母线电压范围为385V至425V，充电模式下固定为400V。

开关频率选择和效率优化

为了实现功率密度、效率、热性能和EMI（电磁干扰）之间的平衡，图腾柱PFC的高频半桥（Q1和Q3）开关频率选择为67kHz。为了提高功率密度和效率，CLLC转换器的谐振频率选择为200kHz，频率范围在150kHz至300kHz之间。

功率MOSFET选择

CCM图腾柱PFC和双向CLLC谐振转换器都需要使用具有优良反向恢复特性的MOSFET体二极管，以提高效率和可靠性。较小的Coss（结电容）对图腾柱PFC的高频硬开关操作至关重要，同时，对于CLLC谐振转换器，低磁化电流和较短的消隐时间对实现零电压开关（ZVS）同样关键。为了保证电压降额可靠性，OBC应用中推荐使用650V的SiC MOSFET。

为提供6.6kW输出功率，选择了C3M0060065D 650V 60mΩ SiC MOSFET（TO-247封装）。为CCM图腾柱PFC高频半桥选择了两个并联器件，而为低频半桥及CLLC转换器的直流母线侧和电池侧则选择了单个C3M0060065D。

数字控制器选型

为了实现OBC图腾柱PFC和CLLC转换器在充电和放电模式下的灵活控制，选择了TMS320F28377D数字控制器。该控制器提供了12个独立的PWM信号（G1至G12）来控制MOSFET（Q1-Q12），并处理实时CAN通信、启动序列、过电流保护（OCP）、过温保护（OTP）、欠压保护（UVP）和过压保护（OVP）。

磁性器件和关键参数

PFC扼流圈的设计旨在将图腾柱PFC电流纹波保持在40%以下。考虑到直流偏置效应，选择230μH的PFC扼流圈，以平衡磁芯损耗和直流偏置能力。对于CLLC转换器，主变压器设计满足450V/14.67A和366V/18A的输出需求，且其磁通密度和磁芯损耗已经进行了优化。

结论

本文设计并评估了基于SiC MOSFET的6.6kW双向OBC。通过优化直流母线电压范围（385V至425V）和电池电压范围（250V至450V），使用650V 60mΩ SiC MOSFET C3M0060065D原型机展示了该设计的高效率和高功率密度。原型机展示了54 W/in³的功率密度和超过96.5%的峰值效率。此外，通过将功率半导体和磁性器件集成在同一散热器上，降低了系统的热阻，提高了OBC在双向高功率转换应用中的效率和功率密度。