如何利用1200 V EliteSiC MOSFET 模塊，打造充電更快的車載充電器？

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(fèi)者主要在家中使用車輛的車載充電器(OBC) 進(jìn)行充電。為確保合理的車輛充電時(shí)間，OEM 還將 OBC 的功率容量從 6.6 kW 提高到 11 kW，甚至高達(dá) 22 kW。使用 6.6 kW OBC 時(shí)，這些電動汽車需要 12.1 小時(shí)才能充滿電。而將 OBC 功率增加到 11 kW 后，充電時(shí)間縮短至 7.3 小時(shí)，而使用 22 kW OBC 時(shí)，只需 3.6 小時(shí)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(qū)動強(qiáng)大的主驅(qū)電機(jī)，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(shí)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(fèi)者主要在家中使用車輛的車載充電器(OBC) 進(jìn)行充電。為確保合理的車輛充電時(shí)間，OEM 還將 OBC 的功率容量從 6.6 kW 提高到 11 kW，甚至高達(dá) 22 kW。使用 6.6 kW OBC 時(shí)，這些電動汽車需要 12.1 小時(shí)才能充滿電。而將 OBC 功率增加到 11 kW 后，充電時(shí)間縮短至 7.3 小時(shí)，而使用 22 kW OBC 時(shí)，只需 3.6 小時(shí)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(gè)價(jià)位上，直流快速充電樁只有在工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用中才有意義，因?yàn)橥粋€(gè)充電樁可以被許多車輛使用。目前，消費(fèi)者必須依靠 OBC 在家充電，而縮短充電時(shí)間是將 OBC 功率提高到 6.6 kW 以上的主要?jiǎng)右颉?/p>

影響 OBC 設(shè)計(jì)的兩個(gè)關(guān)鍵因素是電壓和開關(guān)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(shí)容量）。例如，將電壓加倍會使電池容量（以千瓦時(shí)為單位）和車輛的行駛里程都加倍。在更高的電壓下運(yùn)行還可以減少整個(gè)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(guān)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(guān)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(zhì)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(shí)現(xiàn)時(shí)尚的車輛設(shè)計(jì)。更小的封裝還降低了 OBC 外殼在碰撞中成為危險(xiǎn)拋射物的可能性，由此增加了安全性。簡而言之，增加開關(guān)頻率使設(shè)計(jì)人員能夠在更小的物理尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的功率密度。

總之，更高的電壓和更高的開關(guān)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(guān)頻率。請注意，即使是更低的電壓設(shè)計(jì)（即 400 V），也仍然可以受益于更高的開關(guān)頻率，以減小磁性元件的尺寸和重量。

碳化硅支持更高開關(guān)頻率

當(dāng)前幾代 OBC 架構(gòu)利用超結(jié) MOSFET 和 IGBT 組件，然而，這些技術(shù)適合以較低開關(guān)頻率運(yùn)行的低壓應(yīng)用。具體而言，硅基超級結(jié) 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(yīng)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(guān)頻率設(shè)計(jì)的新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此外，新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要在提供更高功率的同時(shí)，簡化整體電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。借助碳化硅 (SiC) 技術(shù)，此類新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)成為可能。

與傳統(tǒng)超級結(jié) MOSFET 和硅基 IGBT 相比，基于 SiC 的器件和模塊具有多項(xiàng)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(zhuǎn)換電路。結(jié)果是 OEM 可以提高“從發(fā)電到驅(qū)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(jìn)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(shù)提高 OBC 效率，不僅可以滿足消費(fèi)者的需求，應(yīng)對競爭壓力，降低電動汽車的運(yùn)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(shù)將繼續(xù)助力提高效率和節(jié)省運(yùn)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(dǎo)通損耗更低。因此，與超級結(jié) 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(shè)有一個(gè)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(zhuǎn)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(shè)計(jì)產(chǎn)生負(fù)面影響，給電源帶來更高的負(fù)載，進(jìn)一步降低效率。

基于 SiC 的 OBC 可達(dá)到約 97% 的效率，具體取決于設(shè)計(jì)。對于一個(gè) 11 kW 的系統(tǒng)，這會造成大約 230 W 的損耗，相當(dāng)于現(xiàn)有的 3.6 kW 系統(tǒng)所須應(yīng)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(gè)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(yùn)行，消耗額外的功率，拉低整體效率，導(dǎo)致運(yùn)行成本增加。

基于 SiC 的 OBC 設(shè)計(jì)

車載充電器的功能主要分為兩個(gè)階段。

第一個(gè)階段是功率因數(shù)校正 (PFC)，它是 AC/DC 轉(zhuǎn)換器的初始階段，它具有三個(gè)功能：將交流電轉(zhuǎn)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(gè)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(gè)主要階段是調(diào)節(jié)充電的 DC/DC 轉(zhuǎn)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(shí)間和延長電池壽命方面實(shí)現(xiàn)盡可能好的充電體驗(yàn)。

傳統(tǒng)上，3.6 kW 系統(tǒng) PFC 級使用一個(gè) 4 二極管整流橋?qū)⒔涣麟娹D(zhuǎn)換為直流電，然后是升壓轉(zhuǎn)換器的一個(gè)或多個(gè)相。通常，這需要每相一個(gè) MOSFET 和整流器或兩個(gè) MOSFET。

要從 3.6 kW 提高到 11 kW，需要并聯(lián)三個(gè) 3.6 kW 電路（見圖 1）。要達(dá)到 22 kW，需要并聯(lián) 6 個(gè) 3.6 kW 電路。使用 SiC 時(shí)，只需更少的功率器件就能達(dá)到 11 kW 或 22 kW，從而簡化了整體設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了更高的效率。

圖 1. 一個(gè) 11 kW 系統(tǒng)需要三個(gè)使用傳統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的 3.6 kW 轉(zhuǎn)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(yīng)用中，以發(fā)揮 SiC 的優(yōu)勢。這些 EliteSiC 模塊可以改進(jìn) OBC 設(shè)計(jì)。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(gè)電路提供 11 kW PFC 級的所有三相，而不需要三個(gè)并聯(lián)的電路，或者可以使用三個(gè) NVXK2KR80WDT 模塊來實(shí)現(xiàn)三相 Vienna 整流器，每個(gè)模塊處理一相。對于第二級，DC/DC 轉(zhuǎn)換器（兩個(gè) NVXK2TR80WDT 模塊或兩個(gè) NVXK2TR40WXT 模塊）構(gòu)成了 CLLC 諧振轉(zhuǎn)換器的初級側(cè)和次級側(cè)橋。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(yīng)用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

工程師可以使用一系列模塊而不是分立元件來簡化設(shè)計(jì)，同時(shí)確保具有高功率密度的緊湊設(shè)計(jì)。模塊對分立元件的設(shè)計(jì)進(jìn)行了整合，降低復(fù)雜性，從而減少了 OBC 制造商的設(shè)計(jì)和裝配工作，同時(shí)提供了更高的可靠性。

圖 2. 使用碳化硅模塊，僅需一個(gè)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(gè) 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(yīng)用的額定功率，并在尺寸/成本和散熱之間進(jìn)行權(quán)衡。

請注意，將模塊的 RqJC 與分立元件的 RqJC 進(jìn)行比較并不是一對一的比較。該模塊已經(jīng)有一個(gè)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(dú)的分立元件要高得多。

另一個(gè)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(shí)簡化工程設(shè)計(jì)。

負(fù)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(gè)主要挑戰(zhàn)將是負(fù)載平衡需求。目前，相關(guān)方正在進(jìn)行研究以創(chuàng)建協(xié)調(diào)的智能電網(wǎng)，包括在全國層面和全球?qū)用孢M(jìn)行協(xié)調(diào)。例如，一種潛在的策略是電力公司在不同時(shí)間在不同地點(diǎn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)之一是它們是雙向的，并且在引入時(shí)很可能能夠支持各種協(xié)調(diào)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(gòu)難以勝任的新功能，這種能力有助于打造面向未來的設(shè)計(jì)。

雙向 OBC 還使電動汽車能夠充當(dāng)家用應(yīng)急發(fā)電機(jī)。例如，當(dāng)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(shè)備供電，供電量可達(dá) 60 千瓦時(shí)，具體取決于電池容量。隨著技術(shù)的進(jìn)步，電動汽車可以在多種職業(yè)場景充當(dāng)發(fā)電機(jī)，比如在偏遠(yuǎn)的建筑工地提供電力。

安森美率先推出符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的基于 SiC 的功率模塊，適用于車載充電器應(yīng)用。憑借 15 年的 SiC 模塊量產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，安森美在為客戶提供價(jià)值和質(zhì)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(yīng)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(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。安森美不僅是端到端的 SiC 供應(yīng)商，而且具備卓越運(yùn)營能力和快速響應(yīng)能力。

下一代車載充電器需要處理高壓和不斷增加的開關(guān)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(shù)支持新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使電源工程師能夠滿足這些新的要求，同時(shí)減小 OBC 的尺寸、重量、成本和復(fù)雜性。憑借全面的電源產(chǎn)品組合，安森美可幫助加速 OBC 設(shè)計(jì)，為開發(fā)人員提供應(yīng)用靈活性，打造出面向未來的設(shè)計(jì)，以適應(yīng)不斷變化的法規(guī)并支持新的應(yīng)用。