無線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）技術是一種新興的充電技術，通過電磁感應原理将電能從發射側裝置傳輸到接收側裝置中，再通過功率變換電路給負載進行充電，進而實作非接觸式充電。無線電能傳輸技術消除了傳統有線傳輸的局限性，并表現出顯著的靈活性和安全性，在小功率無線充電領域已廣泛商用，如手機、智能穿戴等。近年來，随着新能源汽車向智能化、網聯化方向發展，電動汽車無線充電技術備受關注，并逐漸走向商業化應用。本文将重點探讨碳化矽器件在電動汽車無線充電的應用及技術優勢。
電動汽車無線充電技術概述
電動汽車無線充電技術是基于磁耦合無線電能傳輸理論實作動力電池充電，是目前最主流的技術路線。如圖1所示為電動汽車無線充電系統的結構組成示意圖，發射側和接收側之間無電纜連接配接，其中發射側包括無線充電電源、發射線圈，接收側包括接收線圈和車載變換器。
電動汽車無線充電結構組成
碳化矽在電動汽車無線充電領域中的技術優勢及應用
電動汽車無線充電系統的首要任務是實作高效的電能傳輸，是以高效、安全的功率變換是電動汽車無線充電系統的核心。相比于矽（Si）材料，SiC具有更高的熱導率、更大的禁帶寬度、更高的臨界擊穿場強以及更高的電子飽和漂移速度，SiC 材料的實體特性使其更适合應用于高溫、高頻、低損耗、大功率的工作條件，将其應用于電動汽車無線充電領域，不僅可以有效提升功率密度和系統效率，還能降低系統損耗以及接收裝置的體積和重量。
電動汽車無線充電系統的功率變換電路方面主要存在高頻逆變電路、高頻整流電路和PFC整流電路，圖2為一個典型應用的電動汽車無線充電系統拓撲原理圖，輸出電壓為800V。在無線充電系統的發射側，由Q1-Q4組成高頻逆變電路，為發射線圈提供用于功率傳輸的高頻交流電；在無線充電的接收側由D1-D4組成接收側的高頻同步整流電路，将接收線圈接收到的高頻交流電轉換為充電所需的直流電。作為系統核心轉換環節的逆變電路和同步整流電路共選用了6顆（Q1-Q4、D3、D4）1200V的SiC MOSFET器件。因SiC MOSFET的優異性能，在實際使用中，無線充電系統從交流電源輸入到車載電池普遍可以獲得90%~93%的交直流轉換效率。
電動汽車無線充電系統電路拓撲圖
碳化矽在電動汽車無線充電系統的應用
除SiC MOSFET外，碳化矽肖特基二極管（SiC SBD）因其低正向壓降和快速開關特性，可顯著減少整流損耗，而且SiC SBD優異的溫度特性使其在高溫環境下仍能保持高效率，是以SiC SBD成為無線充電系統理想的整流器件。除在高頻整流電路中可使用SiC SBD外，高頻逆變電路前級的PFC整流電路包括整流橋和Boost 電路，一般也會采用SiC SBD器件。
全球首款800V高壓平台電動汽車無線充電系統
近年來，伴随着新能源汽車技術和市場的快速發展，國内外在電動汽車無線充電産業化程序已全面開啟，無線充電已被各大汽車廠商在不同車型上配置。2021年，北汽釋出的極狐阿爾法S華為HI版設計搭載7.5kW無線充電系統，是全球首款支援800V高壓充電的産品；2022年，上汽和一汽也分别投産了搭載11kW無線充電系統的車型，并面向市場銷售。2023年，一汽集團在長春科技創新基地建設了國内首條百米級别的電動汽車動态無線充電示範道路，搭載了20kW 以上功率等級的無線電能傳輸系統。SiC作為一種先進的半導體材料，具有許多優異的特性，在功率轉換環節全面采用碳化矽功率器件已成為上述無線充電系統主流的選擇方案。
總結和後語
電動汽車充電基礎裝置是新能源汽車産業的重要組成部分，其中電力電子材料和器件是産業的基礎技術。碳化矽器件作為一種先進的半導體材料，具有優越的實體特性，在包括電動汽車無線充電在内的無線電能傳輸領域中推廣應用将顯著提升其性能和使用者體驗。随着無線電能傳輸技術的進步和創新，碳化矽器件将繼續發揮關鍵的作用，推動無線電能傳輸技術向更高效、更小型、更可靠的方向發展。
來源：昕感科技
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