Vishay車載充電器解決方案

汽車工業(yè)電氣化進(jìn)程步伐加快。尾氣減排以及各種補(bǔ)貼計(jì)劃推動(dòng)了這一趨勢(shì)的快速發(fā)展。這些車輛的核心部件是電池充電系統(tǒng)，也稱車載充電器 (OBC)。有了這些系統(tǒng)，電池可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)家用連接器或商用充電樁充電。根據(jù)車輛類型，安裝的充電系統(tǒng)負(fù)載功率最高可達(dá)22 kW。需要這種大功率充電來(lái)滿足可以接受的充電時(shí)間的要求。車載充電器的使用對(duì)電子元件供應(yīng)商提出非常高的質(zhì)量要求。憑借這一領(lǐng)域積累的豐富經(jīng)驗(yàn)，Vishay提供成套適用元件系列組合。

由于功率密度高，22 kW OBC (400 VAC輸入，500 VDC輸出) 依賴于半導(dǎo)體功率模塊解決方案。采用專門為充電器設(shè)計(jì)的模塊，可提高系統(tǒng)效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更高功率密度。事實(shí)證明，EMIPAK 2B封裝模塊是這一領(lǐng)域極為強(qiáng)大且高效的解決方案。這一模塊已廣泛用于各種應(yīng)用和配置。功率模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)特別適合汽車工業(yè)的應(yīng)用要求。因此，這一功率模塊適用于每一代充電系統(tǒng)，在各種情況下都可以使用最新一代半導(dǎo)體器件。模塊引腳采用壓合技術(shù)連接，便于極為輕松的快速組裝。模塊直接連接車輛液冷系統(tǒng)，具有極高的功率密度并優(yōu)化模塊熱管理。

圖1 EMIPAK 2B車載充電器功率模塊

目前，電動(dòng)汽車需要大功率OBC在短時(shí)間內(nèi)為大容量電池組充電。22 kW OBC采用340 VAC至480 VAC三相輸入電壓，輸出電壓為250 V至500 V，最大電流約為50 A。輸入級(jí)使用T型Vienna整流器，滿足諧波和無(wú)功功率的要求，同時(shí)加大充電器輸入電壓工作范圍。輸出電壓由具有異步整流功能的隔離式諧振變換器控制。

圖2 T型Vienna整流器電路圖

圖中示例為虛擬零電位拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，直流電壓分成對(duì)稱的兩級(jí)。通過(guò)這種方法，主控DC/DC級(jí)可采用650 V硅MOSFET，而其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則需要昂貴的1200 V 碳化硅 (SiC) 器件。

使用T型Vienna整流器還可以實(shí)現(xiàn)所需功率因數(shù)校正 (PFC)。不過(guò)，圖中使用的升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不能限制充電器啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的高浪涌電流。DC-Link通過(guò)較大的電容器組來(lái)穩(wěn)定，支持PFC級(jí)和DC/DC轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)操作。根據(jù)要求，這種情況下通常使用耐壓鋁電解或鋁箔電容器。這種浪涌電流必須通過(guò)有源保護(hù)電路加以限制，以防半導(dǎo)體元件和電容器過(guò)載。這種情況下，可采用晶閘管與PTC熱敏電阻并聯(lián)作為保護(hù)電路。熱敏電阻的特性 (高溫下電阻急劇上升) 限制輸入電流。這樣可以確保充電系統(tǒng)安全啟動(dòng)。當(dāng)DC-Link電壓穩(wěn)定在所需電平時(shí)，兩個(gè)晶閘管導(dǎo)通，將所需充電功率通過(guò)PTC限流器。

二極管和MOSFET組成的特殊Vienna拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)三相電流動(dòng)態(tài)整流。這個(gè)電路可校正功率因數(shù)，防止容性負(fù)載無(wú)功功率損耗。此外，穩(wěn)壓整流器可減少輻射到網(wǎng)絡(luò)中的噪聲，從而簡(jiǎn)化輸入濾波器的設(shè)計(jì)。

圖3 含異步整流器的隔離式諧振變換器電路圖

充電系統(tǒng)的核心是隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器，用來(lái)建立高壓電池的充電電壓。我們的示例中，Vienna整流器使用兩個(gè)諧振變換器，分別用在正負(fù)DC-Link和虛擬零電位電路中。它們?cè)谳敵龆瞬⒙?lián)，以獲得電池的充電功率。兩個(gè)諧振變壓器由MSOFET H橋驅(qū)動(dòng)，開(kāi)關(guān)頻率為150 kHz至250 kHz。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)面臨的挑戰(zhàn)是針對(duì)所有工作點(diǎn)優(yōu)化兩個(gè)諧振變壓器電路，最大限度減小輸入輸出電壓受到的干擾。與變壓器一樣，諧振電容是這個(gè)電路的核心組件之一。除電壓和電流高度穩(wěn)定外，電容的di/dt邊緣陡度也必須具有非常理想的參數(shù)。在輸出端，變壓器交流電壓通過(guò)二極管橋式整流，利用電容加以穩(wěn)定。然后，輸出端直流電壓通過(guò)車載電源和電池管理系統(tǒng)為車輛電池充電，進(jìn)行下一次行駛。

電路細(xì)節(jié)使用的半導(dǎo)體器件能夠非常高效地、以節(jié)省空間的方式集成到Vishay功率模塊中。模塊內(nèi)部設(shè)計(jì)高度重視如何減小各種干擾變量，例如電容或電感變量。被動(dòng)元件集成到功率模塊中可進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。使用功率模塊，有助于進(jìn)一步提高充電系統(tǒng)的效率和功率密度，減少電動(dòng)汽車充電時(shí)間。