高能效車載充電方案

電動(dòng)、混動(dòng)汽車可通過直流充電樁或普通的交流電源插座對(duì)其高壓電池子系統(tǒng)進(jìn)行充電，車載充電器(OBC)是交流充電的核心系統(tǒng)。安森美半導(dǎo)體作為汽車功能電子化的領(lǐng)袖之一，為電動(dòng)汽車OBC和直流充電樁提供碳化硅(SiC) MOSFET、超級(jí)結(jié)MOSFET、IGBT和汽車功率模塊(APM)等廣泛的產(chǎn)品陣容乃至完整的系統(tǒng)方案，以專知和經(jīng)驗(yàn)支持設(shè)計(jì)人員優(yōu)化性能，加快開發(fā)周期。本文將主要介紹針對(duì)主流功率等級(jí)的高能效OBC方案。

典型的OBC系統(tǒng)架構(gòu)和功率等級(jí)

1個(gè)典型的OBC由多個(gè)級(jí)聯(lián)級(jí)組成，包括功率因數(shù)校正(PFC)、DC-DC轉(zhuǎn)換器、次級(jí)整流、輔助電源、控制及驅(qū)動(dòng)電路。

圖1：典型的OBC系統(tǒng)架構(gòu)

OBC具有多種功率等級(jí)，功率等級(jí)越高，充電時(shí)間就越短。車廠必須根據(jù)整車要求定義適當(dāng)?shù)腛BC功率等級(jí)。這些OBC需要大功率的交流電源，根據(jù)OBC的設(shè)計(jì)，由單相或三相電源供電。最流行的OBC功率等級(jí)是3.3kW、6.6kW、11kW和22kW；每一個(gè)對(duì)應(yīng)于不同的常見交流功率等級(jí)，如表1所示。安森美半導(dǎo)體可提供單相3.3 kW、6.6 kW和三相11 kW OBC方案。

三相11 kW 車載充電器平臺(tái)SEC-3PH-11-OBC-EVB

SEC-3PH-11-OBC-EVB是安森美半導(dǎo)體新推出的三相11 kW PFC-LLC OBC平臺(tái)，采用符合AEC-Q101的 SiC功率器件和驅(qū)動(dòng)器，包括1200 V、80mΩ NVHL080N120SC1高性能SiC MOSFET、6 A SiC MOSFET門極驅(qū)動(dòng)器NCV51705和650 V、30 A SiC二極管 FFSB3065B-F085，系統(tǒng)能效超過95%。該套件采用模塊化方法，配備用戶友好的圖形用戶接口(GUI)，從而簡化和加快評(píng)估。LLC系統(tǒng)由嵌入式軟件以電壓或電流控制模式驅(qū)動(dòng)。該平臺(tái)展示SiC器件用于OBC可提供的高能效、高功率密度、小占位優(yōu)勢(shì)，也可作為開發(fā)3相PFC-LLC拓?fù)湎到y(tǒng)的學(xué)習(xí)環(huán)境。該套件的關(guān)鍵參數(shù)為：輸入電壓195至265 Vac，直流總線電壓最大值735 Vdc，輸出電壓200至450 Vdc，輸出電流0至40 A，最高頻率fs 400 kHz。

圖2：安森美半導(dǎo)體的三相11 kW OBC 套件

6.6 kW OBC參考設(shè)計(jì)

該6.6 kW OBC參考設(shè)計(jì)采用三通道交錯(cuò)式PFC-LLC以獲得高能效和高功率密度，并減少電流紋波，總線電壓可根據(jù)輸出電壓調(diào)節(jié)以優(yōu)化能效。輸入電壓90至264 Vac，輸出電流0至16 A，典型能效94%。關(guān)鍵器件包括超級(jí)結(jié)MOSFET  NVHL040N65S3F、NTPF082N65S3F，650 V、30 A SiC二極管FFSP3065A、PFC控制器FAN9673、LLC控制器FAN7688等。

高能效的IGBT應(yīng)對(duì)電動(dòng)汽車車載充電的重要趨勢(shì)：雙向充電

在電動(dòng)汽車電池和建筑物或電網(wǎng)之間進(jìn)行雙向充電(V2X)將成為電動(dòng)汽車車載充電的重要趨勢(shì)。雙向充電應(yīng)考慮充放電能效，以確保轉(zhuǎn)換時(shí)不浪費(fèi)能量，需要圖騰柱無橋PFC，此時(shí)，反向恢復(fù)性能至關(guān)重要。集成外部SiC二極管的IGBT比MOSFET方案提供更高能效，因?yàn)闆]有相關(guān)的正向或反向恢復(fù)損耗。如圖3是雙向充電的電路圖，對(duì)于K3和K4，需要快速開關(guān)、低飽和壓降Vcesat、低正向電壓Vf的器件。安森美半導(dǎo)體提供寬廣的符合AEC車規(guī)的IGBT系列，包括650 V/750 V/ 950 V 第4代溝槽場(chǎng)截止IGBT和1200 V超高速溝槽場(chǎng)截止IGBT，具備更低的損耗和更高的功率密度，以及集成SiC二極管的混合IGBT方案AFGHL50T65SQDC。

圖3：雙向充電電路圖

SiC方案降低損耗

SiC比硅方案降低開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，提供新的性能水平。安森美半導(dǎo)體投入寬禁帶的開發(fā)近10年，是少數(shù)同時(shí)具備硅、SiC和氮化鎵(GaN)技術(shù)的供應(yīng)商，針對(duì)車載充電應(yīng)用，提供汽車級(jí)650 V SiC二極管(涵蓋6 A到50 A)、1200 V SiC二極管(涵蓋10 A 到40 A)、1200 V  SiC MOSFET (涵蓋20 到80mΩ)。這些SiC二極管最高結(jié)溫175℃，具有高浪涌電流能力，正溫系數(shù)，易于并聯(lián)，無反向恢復(fù)損耗，符合AEC-Q101和生產(chǎn)件批準(zhǔn)程序(PPAP)。這些SiC MOSFET最高結(jié)溫175℃，提供高速開關(guān)和低電容，100%經(jīng)無鉗位感性負(fù)載(UIL)測(cè)試，符合AEC-Q101和生產(chǎn)件批準(zhǔn)程序(PPAP)。

超級(jí)結(jié)MOSFET：比平面硅方案性能更好，比SiC方案更具成本優(yōu)勢(shì)

安森美半導(dǎo)體具備10年汽車超級(jí)結(jié)MOSFET經(jīng)驗(yàn)，最新的第三代超級(jí)結(jié)MOSFET提供領(lǐng)先行業(yè)的能效和性能，現(xiàn)有的超級(jí)結(jié)MOSFET分立器件可提供KGD裸芯，并于2018年推出APM模塊。

超級(jí)結(jié)MOSFET有快速版本(FAST Version)、易驅(qū)動(dòng)版本(Easy Drive Version)和快恢復(fù)版本(FRFET Version)?？焖侔姹局饕槍?duì)工業(yè)級(jí)應(yīng)用。易驅(qū)動(dòng)版本由于內(nèi)置門極電阻Rg和優(yōu)化電容，降低電壓尖峰和電磁干擾(EMI)?？旎謴?fù)版本具有同類最佳的體二極管。

APM模塊

APM模塊可用于OBC的PFC、LLC轉(zhuǎn)換、整流等各個(gè)功率級(jí)，減少器件數(shù)，縮減尺寸和重量，提高功率密度，并降低總系統(tǒng)成本。如安森美半導(dǎo)體2018年推出的APM16，高度集成的緊湊設(shè)計(jì)，具備集成所有硅和SiC技術(shù)、全橋或半橋拓?fù)涞撵`活性，熱阻抗低，符合AQG324、IEC60664-1、IEC60950-1等標(biāo)準(zhǔn)。

門極驅(qū)動(dòng)

安森美半導(dǎo)體提供大驅(qū)動(dòng)電流的驅(qū)動(dòng)器提升系統(tǒng)能效，隔離技術(shù)安全、可靠、經(jīng)認(rèn)證，不產(chǎn)生EMI也不受系統(tǒng)產(chǎn)生的EMI影響，強(qiáng)固的共模瞬態(tài)抑制可抵抗高壓和大功率開關(guān)應(yīng)用中出現(xiàn)的系統(tǒng)電壓瞬變。如16引腳隔離門極驅(qū)動(dòng)器NCV57000 大電流單通道IGBT驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)置伽伐尼安全隔離設(shè)計(jì)，在要求高可靠性的電源應(yīng)用中提供高能效工作，具有米勒平臺(tái)電壓下的大電流，伽伐尼隔離額定值大于5 kVrms，滿足UL 1577的要求，工作電壓高于1200 V，其它特性包括軟關(guān)斷以抑制尖峰電壓、可編程延遲去飽和（DESAT）保護(hù)，傳輸延遲典型值66 ns、短路時(shí)IGBT門極鉗位等。

總結(jié)

車載充電市場(chǎng)隨著電動(dòng)汽車電動(dòng)動(dòng)力總成需求的增長而增長。安森美半導(dǎo)體除了提供廣泛的超級(jí)結(jié)MOSFET、IGBT、門極驅(qū)動(dòng)，還針對(duì)V2X等趨勢(shì)和功率等級(jí)及占位面積等挑戰(zhàn)推出集成SiC的混合IGBT、SiC MOSFET、APM模塊，應(yīng)用于車載充電的PFC、DC-DC、整流、輔助電源、驅(qū)動(dòng)等各個(gè)功率級(jí)，提高能效、性能、功率密度，減小損耗和占位空間，同時(shí)積極擴(kuò)展現(xiàn)有產(chǎn)品陣容，推出用于3.3kW、6.6kW、11kW等主流功率等級(jí)的OBC開發(fā)套件，幫助加快設(shè)計(jì)和評(píng)估，其最新推出的三相11 kW 車載充電器平臺(tái)SEC-3PH-11-OBC-EVB采用SiC技術(shù)，能效水平超過95%，功率密度高，可執(zhí)行的數(shù)字控制和可用的GUI確保無憂的啟動(dòng)和用戶友好的體驗(yàn)，還可作為開發(fā)3相PFC-LLC拓?fù)湎到y(tǒng)的學(xué)習(xí)環(huán)境。