【導讀】要能快速高效地為電動車更大的電池充電，電動車才能在市場普及并發(fā)展。2021 年，市場上排名前 12 位的電動汽車的平均電池容量為 80 kW-hr。消費者主要在家中使用車輛的車載充電器(OBC) 進行充電。為確保合理的車輛充電時間，OEM 還將 OBC 的功率容量從 6.6 kW 提高到 11 kW，甚至高達 22 kW。使用 6.6 kW OBC 時，這些電動汽車需要 12.1 小時才能充滿電。而將 OBC 功率增加到 11 kW 后，充電時間縮短至 7.3 小時，而使用 22 kW OBC 時，只需 3.6 小時即可充滿電。
早期的電動汽車 (EV) 由于難以存儲足夠的能量來驅動強大的主驅電機，行駛里程較為有限。為了延長行駛里程，電動汽車制造商增加了車輛電池的能量容量。然而，更大的電池意味著更長的充電時間。
要能快速高效地為電動車更大的電池充電，電動車才能在市場普及并發(fā)展。2021 年，市場上排名前 12 位的電動汽車的平均電池容量為 80 kW-hr。消費者主要在家中使用車輛的車載充電器(OBC) 進行充電。為確保合理的車輛充電時間，OEM 還將 OBC 的功率容量從 6.6 kW 提高到 11 kW，甚至高達 22 kW。使用 6.6 kW OBC 時，這些電動汽車需要 12.1 小時才能充滿電。而將 OBC 功率增加到 11 kW 后，充電時間縮短至 7.3 小時，而使用 22 kW OBC 時，只需 3.6 小時即可充滿電。
需要注意的是，直流快速充電樁可以提供大約 250 kW 的功率，只需 20 分鐘即可為上述容量的電池充滿電，而且這些充電樁不使用車輛的 OBC。然而，根據(jù)加州能源委員會的數(shù)據(jù)，購買和安裝商用直流快速充電樁的平均成本超過 10 萬美元 。在這個價位上，直流快速充電樁只有在工業(yè)和商業(yè)應用中才有意義，因為同一個充電樁可以被許多車輛使用。目前，消費者必須依靠 OBC 在家充電，而縮短充電時間是將 OBC 功率提高到 6.6 kW 以上的主要動因。
影響 OBC 設計的兩個關鍵因素是電壓和開關頻率。
電池電壓正從 400 V 增加到 800 V 甚至更高，更高的電池電壓會增加電池的能量容量（能量容量 = 電壓 x 安-時容量）。例如，將電壓加倍會使電池容量（以千瓦時為單位）和車輛的行駛里程都加倍。在更高的電壓下運行還可以減少整個車輛所需的電流，從而降低電源系統(tǒng)、電池和 OBC 之間的電纜成本。
開關頻率決定了車輛所需磁性元件（如電感器）的尺寸和重量。通過提高開關頻率，可以使用更小更輕的磁性元件，較小的元件比較大的元件便宜。由于更輕，它們減少了車載充電器的質量，使工程師能夠在不改變整車重量的情況下，在電動汽車的其他地方增加重量。更緊湊的尺寸還意味著 OBC 系統(tǒng)的封裝尺寸更小，有利于實現(xiàn)時尚的車輛設計。更小的封裝還降低了 OBC 外殼在碰撞中成為危險拋射物的可能性，由此增加了安全性。簡而言之，增加開關頻率使設計人員能夠在更小的物理尺寸內(nèi)實現(xiàn)更高的功率密度。
總之，更高的電壓和更高的開關頻率可以顯著提高 OBC 的容量。開發(fā)人員面臨的挑戰(zhàn)是，他們使用的組件必須能夠承受更高的電壓和更高的開關頻率。請注意，即使是更低的電壓設計（即 400 V），也仍然可以受益于更高的開關頻率，以減小磁性元件的尺寸和重量。
碳化硅支持更高開關頻率
當前幾代 OBC 架構利用超結 MOSFET 和 IGBT 組件，然而，這些技術適合以較低開關頻率運行的低壓應用。具體而言，硅基超級結 MOSFET 的效率隨著電壓的升高而降低。雖然基于 IGBT 的器件可用于更高電壓應用，但 IGBT 在更高頻率下的表現(xiàn)不佳。
為了提供更快的充電速度，車載充電器需要一種專為更高電壓和更高開關頻率設計的新拓撲結構。此外，新拓撲結構需要在提供更高功率的同時，簡化整體電源系統(tǒng)的設計。借助碳化硅 (SiC) 技術，此類新拓撲結構成為可能。
與傳統(tǒng)超級結 MOSFET 和硅基 IGBT 相比，基于 SiC 的器件和模塊具有多項優(yōu)勢。例如，通常情況下，隨著功率的增加，系統(tǒng)的整體損耗也會增加，而基于 SiC 的 MOSFET 使 OEM 能夠在 OBC 系統(tǒng)中創(chuàng)建更好的電源轉換電路。結果是 OEM 可以提高“從發(fā)電到驅動”的整體效率，更重要的是，在更高的電壓水平下保持這樣的效率。
除了延長電動汽車的行駛里程外，使充電系統(tǒng)的效率最大化，與電動推進系統(tǒng)保持一致，還可以降低充電車輛的成本。因此，采用 SiC 技術提高 OBC 效率，不僅可以滿足消費者的需求，應對競爭壓力，降低電動汽車的運行成本，還可以提高電動汽車的整體可持續(xù)性。隨著 11 kW 和 22 kW 電動汽車的面世，SiC 技術將繼續(xù)助力提高效率和節(jié)省運行成本。
基于 SiC 的電源系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)效率和功率密度，其中一部分原因是由于更小無源元件具有更低電阻，導通損耗更低。因此，與超級結 MOSFET 和 IGBT 相比，SiC 提供了出色的熱性能，最大程度地降低了功耗，并使系統(tǒng)需要相對較少的散熱。
例如，假設有一個效率為 94% 的 3.6 kW IGBT 充電器，該充電器有 200 W 的損耗。然而，隨著 OBC 額定功率增加到 11 kW，94% 的效率將轉化為 660 W 的損耗。產(chǎn)生超過 3 倍的損耗會對散熱系統(tǒng)設計產(chǎn)生負面影響，給電源帶來更高的負載，進一步降低效率。
基于 SiC 的 OBC 可達到約 97% 的效率，具體取決于設計。對于一個 11 kW 的系統(tǒng)，這會造成大約 230 W 的損耗，相當于現(xiàn)有的 3.6 kW 系統(tǒng)所須應對的損耗。因此，用于3.6 kW IGBT系統(tǒng)的現(xiàn)有散熱系統(tǒng)一樣可以支持基于 SiC 的 11 kW 系統(tǒng)。換個方式比較，基于 IGBT 的 11 kW 系統(tǒng)的散熱裝置將需要比基于 SiC 的 11 kW 系統(tǒng)更頻繁地運行，消耗額外的功率，拉低整體效率，導致運行成本增加。
基于 SiC 的 OBC 設計
車載充電器的功能主要分為兩個階段。
第一個階段是功率因數(shù)校正 (PFC)，它是 AC/DC 轉換器的初始階段，它具有三個功能：將交流電轉換為直流電，將輸入電壓提升至正確的直流電壓，以及產(chǎn)生單位功率因數(shù)。其中，第三個功能的作用是確保電流和電壓同相。沒有有效單位功率因數(shù)的系統(tǒng)會對電網(wǎng)產(chǎn)生干擾。
第二個主要階段是調節(jié)充電的 DC/DC 轉換器。充電電壓不是恒定的，而是根據(jù)特定的電池配置文件而變化。該配置文件使工程師能夠在效率、充電時間和延長電池壽命方面實現(xiàn)盡可能好的充電體驗。
傳統(tǒng)上，3.6 kW 系統(tǒng) PFC 級使用一個 4 二極管整流橋將交流電轉換為直流電，然后是升壓轉換器的一個或多個相。通常，這需要每相一個 MOSFET 和整流器或兩個 MOSFET。
要從 3.6 kW 提高到 11 kW，需要并聯(lián)三個 3.6 kW 電路（見圖 1）。要達到 22 kW，需要并聯(lián) 6 個 3.6 kW 電路。使用 SiC 時，只需更少的功率器件就能達到 11 kW 或 22 kW，從而簡化了整體設計并實現(xiàn)了更高的效率。
圖 1. 一個 11 kW 系統(tǒng)需要三個使用傳統(tǒng)拓撲結構的 3.6 kW 轉換器
安森美 (onsemi) 提供 NVXK2KR80WDT、NVXK2TR80WDT 和 NVXK2TR40WXT 1200 V EliteSiC MOSFET 模塊，可用于電動汽車的 OBC 應用中，以發(fā)揮 SiC 的優(yōu)勢。這些 EliteSiC 模塊可以改進 OBC 設計。NVXK2KR80WDT 是一款 Vienna 整流器模塊，集成了 1200 V 80 mΩ EliteSiC MOSFET，SiC 和 Si 二極管都貼裝在 Al2O3 陶瓷基板上。NVXK2TR80WDT 是一款雙半橋模塊，搭載 1200 V 80 mΩ EliteSiC MOSFET，貼裝在 Al2O3 陶瓷基板上。NVXK2TR40WXT 是一款雙半橋模塊，搭載 1200 V 40 mΩ EliteSiC MOSFET，貼裝在 AlN 陶瓷基板上，用于提高電流處理能力。
圖 2展示了這些基于 SiC 的模塊如何通過單個電路提供 11 kW PFC 級的所有三相，而不需要三個并聯(lián)的電路，或者可以使用三個 NVXK2KR80WDT 模塊來實現(xiàn)三相 Vienna 整流器，每個模塊處理一相。對于第二級，DC/DC 轉換器（兩個 NVXK2TR80WDT 模塊或兩個 NVXK2TR40WXT 模塊）構成了 CLLC 諧振轉換器的初級側和次級側橋。這種拓撲結構可以減少整體元器件數(shù)量并提高效率，元器件減少了大約 50%。22 kW 系統(tǒng)也可以應用這種拓撲結構。
工程師可以使用一系列模塊而不是分立元件來簡化設計，同時確保具有高功率密度的緊湊設計。模塊對分立元件的設計進行了整合，降低復雜性，從而減少了 OBC 制造商的設計和裝配工作，同時提供了更高的可靠性。
圖 2. 使用碳化硅模塊，僅需一個電路即可支持 11 kW 系統(tǒng)的所有三相
安森美提供廣泛的功率器件組合，可簡化工程并提供不同的折衷方案，為工程師提供更大的靈活性。例如，相比于 NVXK2xx40WXT 的0.47°C/W 的 RqJC，NVXK2xx80WDT 有一個 1.84°C/W（每瓦溫升）的 RqJC。雖然 xx80WDT 的發(fā)熱量更高，但它比 xx40WXT 更小、更便宜，xx40WXT 的散熱性能更好。這使開發(fā)人員能夠選擇合適的器件來匹配特定應用的額定功率，并在尺寸/成本和散熱之間進行權衡。
請注意，將模塊的 RqJC 與分立元件的 RqJC 進行比較并不是一對一的比較。該模塊已經(jīng)有一個嵌入式電絕緣層，必須將其添加到分立方案中。此外，分立封裝中的可比元件具有外部和內(nèi)部熱接口，溫升比單獨的分立元件要高得多。
另一個要考慮的因素是剖面。由于可能的集成度，模塊的間隙比分立式方案要好得多。例如，IEC-60664-1 要求封裝至少有 5.0 mm 的間隙。選擇模塊可確保滿足間隙要求，同時簡化工程設計。
負載平衡
典型的充電場景是駕駛員下班回家后為電動汽車通宵充電，隨著越來越多的電動汽車上路，電力公司面臨的一個主要挑戰(zhàn)將是負載平衡需求。目前，相關方正在進行研究以創(chuàng)建協(xié)調的智能電網(wǎng)，包括在全國層面和全球層面進行協(xié)調。例如，一種潛在的策略是電力公司在不同時間在不同地點使用電動汽車電池，以幫助保持電網(wǎng)穩(wěn)定，從而滿足高峰期的電動汽車充電需求。
這些新的基于 SiC 的拓撲結構的優(yōu)點之一是它們是雙向的，并且在引入時很可能能夠支持各種協(xié)調的智能電網(wǎng)策略。鑒于不斷發(fā)展的法規(guī)會提出現(xiàn)有 EV 架構難以勝任的新功能，這種能力有助于打造面向未來的設計。
雙向 OBC 還使電動汽車能夠充當家用應急發(fā)電機。例如，當下大雪造成停電后，擁有電動汽車的家庭可以使用電動汽車為加熱器和照明燈等基本設備供電，供電量可達 60 千瓦時，具體取決于電池容量。隨著技術的進步，電動汽車可以在多種職業(yè)場景充當發(fā)電機，比如在偏遠的建筑工地提供電力。
安森美率先推出符合汽車標準的基于 SiC 的功率模塊，適用于車載充電器應用。憑借 15 年的 SiC 模塊量產(chǎn)經(jīng)驗，安森美在為客戶提供價值和質量方面擁有良好的業(yè)績記錄和悠久歷史。
安森美也是少數(shù)擁有全整合供應鏈的 SiC 制造商之一。從 SiC 晶錠生長到晶圓制造，再到模塊和分立器件，安森美擁有自己的內(nèi)部 SiC 制造和裝配流程，以確保功率器件符合高品質標準。安森美不僅是端到端的 SiC 供應商，而且具備卓越運營能力和快速響應能力。
下一代車載充電器需要處理高壓和不斷增加的開關頻率，以提供汽車制造商所需的效率和功率密度。碳化硅技術支持新的拓撲結構，使電源工程師能夠滿足這些新的要求，同時減小 OBC 的尺寸、重量、成本和復雜性。憑借全面的電源產(chǎn)品組合，安森美可幫助加速 OBC 設計，為開發(fā)人員提供應用靈活性，打造出面向未來的設計，以適應不斷變化的法規(guī)并支持新的應用。
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