安森美(onsemi)M3S EliteSiC MOSFET讓車載充電器升級(jí)到800V電池架構(gòu)

自電動(dòng)汽車 (EV) 在汽車市場(chǎng)站穩(wěn)腳跟以來(lái)，電動(dòng)汽車制造商一直在追求更高功率的傳動(dòng)系統(tǒng)、更大的電池容量和更短的充電時(shí)間。為滿足客戶需求和延長(zhǎng)行駛里程，電動(dòng)汽車制造商不斷增加車輛的電池容量。然而，電池越大，意味著充電的時(shí)間就越長(zhǎng)。

最常見(jiàn)的充電方法是在家充一整夜或白天到工作場(chǎng)所充電。這兩種情況對(duì)電動(dòng)汽車的功率水平提出了不同的要求。使用家中的住宅電源插座可能無(wú)法在一整夜后就為電動(dòng)汽車充滿電。工作場(chǎng)所提供的可能是中等功率的交流充電樁，如果汽車配備的是較低功率的車載充電器 (OBC)，那么充電樁使用時(shí)間可能會(huì)成為一個(gè)問(wèn)題。加大 OBC 功率會(huì)讓充電時(shí)間更合理，但這也增加了系統(tǒng)復(fù)雜性和設(shè)計(jì)難度。雖然高功率直流充電樁可以將電池快充到 80% 的電量，但這還遠(yuǎn)未普及。

為同時(shí)解決充電時(shí)間和性能問(wèn)題，許多電動(dòng)汽車平臺(tái)正從目前的 400V 電池組遷移到 800V 電池組。當(dāng)車輛處于行駛模式時(shí)，可以利用較高的可用電壓在保持功率水平不變的情況下增加電機(jī)功率輸出或提高系統(tǒng)效率。在充電模式下，較高的電池電壓會(huì)降低電池充電所需的電流，并且可以縮短充電時(shí)間。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。通過(guò)增加電壓和開關(guān)頻率，可以顯著提高 OBC 容量。系統(tǒng)架構(gòu)必須考慮更高的電壓，1200V 器件之所以受歡迎，正是因?yàn)槠鋼碛懈叩淖钄嚯妷耗芰Α?/p>

除了大力發(fā)展 800V 主電池組外，提高 OBC 的功率也是當(dāng)前的一大趨勢(shì)。過(guò)去，6.6kW 功率的充電樁很常見(jiàn)。如今，很多設(shè)計(jì)都是 11kW（分相電源）和 22kW（三相電源）。雖然這種功率水平往往在家中無(wú)法實(shí)現(xiàn)，但美國(guó)目前擁有超過(guò) 126,000 個(gè)這種功率水平的交流充電樁。OBC 的功率越高，在上班期間或許多公共場(chǎng)所充電就越快，從而無(wú)需在家中充滿電。隨著 OBC 功率水平的提高，碳化硅 (SiC) MOSFET 的優(yōu)勢(shì)也進(jìn)一步凸顯。

事實(shí)證明，在更高開關(guān)頻率的應(yīng)用中，基于 SiC 的組件相比 IGBT 組件更具優(yōu)勢(shì)。SiC 技術(shù)還為 800V 電池的開發(fā)提供了設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)。它可以縮小 OBC 系統(tǒng)的尺寸并提高“從發(fā)電到驅(qū)動(dòng)”的整體效率。

繼成功推出第一代 1200 V EliteSiC M1 MOSFET 后，安森美最近發(fā)布了第二代 1200 V EliteSiC M3 MOSFET，著重優(yōu)化了開關(guān)性能。M3S 產(chǎn)品包括 13/22/30/40/70 mΩ，適用于 TO247-4L 和 D2PAK?7L 的分立式封裝。NVH4L022N120M3S 是符合車規(guī)要求的 MOSFET，在 1200 V 時(shí)的導(dǎo)通電阻 RDS(ON) 最低為 22 m?。

安森美團(tuán)隊(duì)已經(jīng)對(duì) M3S 相較于 M1 的關(guān)鍵特性優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了廣泛的測(cè)試。有關(guān)測(cè)評(píng)設(shè)置的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱該應(yīng)用手冊(cè)。M3S (NTH4L022N120M3S) 需要的總柵極電荷 QG(TOT) 相比 M1 (NTH4L020N120SC1) 更少，這大大降低了柵極驅(qū)動(dòng)器的灌電流和拉電流（如圖 1 所示）。在默認(rèn) VGS(OP) = +18V 的情況下，M3S 的電荷為 135 nC，與之前的 M1 相比，RDS(ON)*QG(TOT) 中的 FOM（品質(zhì)因數(shù)）減小了 44%，說(shuō)明在導(dǎo)通電阻 RDS(ON) 器件相同的情況下，只需要 56% 的開關(guān)柵極電荷。

與 M1 相比，M3S 在其寄生電容 COSS 中存儲(chǔ)的能量 EOSS 更少，因此在更輕的負(fù)載下具有更高的效率（圖 2）。由于 EOSS 取決于漏源電壓，而不是電流，因此它是輕載時(shí)效率的關(guān)鍵損耗。

圖1 總柵極電荷

 圖2 EOSS（COSS 中存儲(chǔ)的能量）

開關(guān)損耗是系統(tǒng)效率的關(guān)鍵參數(shù)。圖 3. 顯示了開關(guān)性能，其中在給定條件下 M3S 的開關(guān)性能大幅改善，EOFF 相比 M1 降低了 40%，EON 降低了 20-30%，總開關(guān)損耗降低了 34%。在高開關(guān)頻率應(yīng)用中，它將消除導(dǎo)通電阻 RDS（ON）溫度系數(shù)較高的缺點(diǎn)。

圖3 電感開關(guān)損耗

提高開關(guān)頻率有助于設(shè)計(jì)人員減小儲(chǔ)能組件（如電感器、變壓器和電容）的尺寸，從而縮小系統(tǒng)體積。更緊湊的尺寸和更高的功率密度使 OBC 系統(tǒng)的封裝尺寸更小，這讓工程師有更多機(jī)會(huì)為車輛其它地方分配更多重量。此外，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。