技術(shù)文章—高能效車載充電方案

電動、混動汽車可通過直流充電樁或普通的交流電源插座對其高壓電池子系統(tǒng)進行充電，車載充電器（OBC）是交流充電的核心系統(tǒng)。安森美半導體作為汽車功能電子化的領(lǐng)袖之一，為電動汽車OBC和直流充電樁提供碳化硅（SiC） MOSFET、超級結(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)驗支持設(shè)計人員優(yōu)化性能，加快開發(fā)周期。本文將主要介紹針對主流功率等級的高能效OBC方案。

典型的OBC系統(tǒng)架構(gòu)和功率等級

1個典型的OBC由多個級聯(lián)級組成，包括功率因數(shù)校正（PFC）、DC－DC轉(zhuǎn)換器、次級整流、輔助電源、控制及驅(qū)動電路。

圖1：典型的OBC系統(tǒng)架構(gòu)

OBC具有多種功率等級，功率等級越高，充電時間就越短。車廠必須根據(jù)整車要求定義適當?shù)腛BC功率等級。這些OBC需要大功率的交流電源，根據(jù)OBC的設(shè)計，由單相或三相電源供電。最流行的OBC功率等級是3．3kW、6．6kW、11kW和22kW；每一個對應(yīng)于不同的常見交流功率等級，如表1所示。安森美半導體可提供單相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SEC－3PH－11－OBC－EVB

SEC－3PH－11－OBC－EVB是安森美半導體新推出的三相11 kW PFC－LLC OBC平臺，采用符合AEC－Q101的 SiC功率器件和驅(qū)動器，包括1200 V、80mΩ NVHL080N120SC1高性能SiCMOSFET、6 A SiC MOSFET門極驅(qū)動器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），從而簡化和加快評估。LLC系統(tǒng)由嵌入式軟件以電壓或電流控制模式驅(qū)動。該平臺展示SiC器件用于OBC可提供的高能效、高功率密度、小占位優(yōu)勢，也可作為開發(fā)3相PFC－LLC拓撲系統(tǒng)的學習環(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：安森美半導體的三相11 kW OBC 套件

6．6 kW OBC參考設(shè)計

該6．6 kW OBC參考設(shè)計采用三通道交錯式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)對電動汽車車載充電的重要趨勢：雙向充電

在電動汽車電池和建筑物或電網(wǎng)之間進行雙向充電（V2X）將成為電動汽車車載充電的重要趨勢。雙向充電應(yīng)考慮充放電能效，以確保轉(zhuǎn)換時不浪費能量，需要圖騰柱無橋PFC，此時，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，因為沒有相關(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代溝槽場截止IGBT和1200 V超高速溝槽場截止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)損耗和導通損耗，提供新的性能水平。安森美半導體投入寬禁帶的開發(fā)近10年，是少數(shù)同時具備硅、SiC和氮化鎵（GaN）技術(shù)的供應(yīng)商，針對車載充電應(yīng)用，提供汽車級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)無鉗位感性負載（UIL）測試，符合AEC－Q101和生產(chǎn)件批準程序（PPAP）。

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

安森美半導體具備10年汽車超級結(jié)MOSFET經(jīng)驗，最新的第三代超級結(jié)MOSFET提供領(lǐng)先行業(yè)的能效和性能，現(xiàn)有的超級結(jié)MOSFET分立器件可提供KGD裸芯，并于2018年推出APM模塊。超級結(jié)MOSFET有快速版本（FAST Version）、易驅(qū)動版本（Easy Drive Version）和快恢復(fù)版本（FRFET Version）?？焖侔姹局饕槍I(yè)級應(yīng)用。易驅(qū)動版本由于內(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、整流等各個功率級，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。如安森美半導體2018年推出的APM16，高度集成的緊湊設(shè)計，具備集成所有硅和SiC技術(shù)、全橋或半橋拓撲的靈活性，熱阻抗低，符合AQG324、IEC60664－1、IEC60950－1等標準。

門極驅(qū)動

安森美半導體提供大驅(qū)動電流的驅(qū)動器提升系統(tǒng)能效，隔離技術(shù)安全、可靠、經(jīng)認證，不產(chǎn)生EMI也不受系統(tǒng)產(chǎn)生的EMI影響，強固的共模瞬態(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)動器NCV57000 大電流單通道IGBT驅(qū)動器，內(nèi)置伽伐尼安全隔離設(shè)計，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，傳輸延遲典型值66 ns、短路時IGBT門極鉗位等。

總結(jié)

車載充電市場隨著電動汽車電動動力總成需求的增長而增長。安森美半導體除了提供廣泛的超級結(jié)MOSFET、IGBT、門極驅(qū)動，還針對V2X等趨勢和功率等級及占位面積等挑戰(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)動等各個功率級，提高能效、性能、功率密度，減小損耗和占位空間，同時積極擴展現(xiàn)有產(chǎn)品陣容，推出用于3．3kW、6．6kW、11kW等主流功率等級的OBC開發(fā)套件，幫助加快設(shè)計和評估，其最新推出的三相11 kW 車載充電器平臺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確保無憂的啟動和用戶友好的體驗，還可作為開發(fā)3相PFC－LLC拓撲系統(tǒng)的學習環(huán)境。