Evolving OBC Designs for Higher Power Tiers and Voltages
作者：安森美半導(dǎo)體 消費者需求不斷攀升，電動汽車 (EV) 必須延長續(xù)航里程，方可與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī) (ICE) 汽車相媲美。解決這個問題主要有兩種方法：在不顯著增加電池尺寸或重量的情況下提升電池容量，或提高主驅(qū)逆變器等關(guān)鍵高功率器件的運(yùn)行能效。 為應(yīng)對電子元件導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗造成的巨大功率損耗，汽車制造商正在通過提高電池電壓來增加車輛的續(xù)航里程。
圖 1：生產(chǎn)中的電動汽車以及所需的復(fù)雜系統(tǒng) 由此，800 V 電池架構(gòu)越來越普及，并可能最終取代目前的 400 V 技術(shù)。然而，電池容量越大，所需的充電時間就越長，這正是車主的另一個顧慮，意味著若在抵達(dá)目的地前需中途充電，將要等待很長時間。 因此，就像需要提高電池電壓一樣，汽車整車廠商也必須跟上電動汽車車載充電器 (OBC) 的發(fā)展步伐，而首先要考慮的是必須支持 800 V 電池架構(gòu)和處理更高的電壓。為此，現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn) 650 V 額定芯片元件需過渡到額定電壓最高達(dá) 1200 V 的芯片元件。此外，為加快電池充電速率，對更高額定功率 OBC 的需求也在日益增長。 消費者迫切需要更出色的性能 OBC 能夠?qū)⒔涣麟娹D(zhuǎn)換為直流電，因而可以讓汽車?yán)秒娋W(wǎng)等交流電源進(jìn)行充電。充電站的輸出峰值會明顯限制充電速度，同樣的，OBC 的峰值功率處理能力也是充電速度的一大影響因素。 在目前的充電基礎(chǔ)設(shè)施中，充電樁分為三個等級： • 1 級的最大功率為 3.6 kW • 2 級的功率為 3.6 kW 到大約 22 kW ，與 OBC 的最大容量相當(dāng) • 3 級提供直流電，無需使用 OBC，功率為 50 kW 到 350+ kW 盡管速度較快的 3 級直流充電站已投入使用，但其在全球范圍內(nèi)分布有限，因此 OBC 仍然不可或缺。此外，許多企業(yè)正盡可能提高現(xiàn)有 2 級充電基礎(chǔ)設(shè)施的性能并促進(jìn)更高電壓電池技術(shù)的采用，市場對更高能效 OBC 的需求預(yù)計仍將持續(xù)增長。 表 1：OBC 的不同功率等級及其對 80 kWh 電池充電時間的影響
表 1 列舉了常見的 OBC 功率等級及大致充電時間。為加快充電速度、滿足消費者需求，行業(yè)已開始轉(zhuǎn)向更強(qiáng)大的三相 OBC。然而，電動汽車的實際充電時間取決于多個因素。 首先我們需要明確一點，充電并不是一個線性過程。當(dāng)電池接近滿容量（通常超過 80%）時，充電速度會減慢，以保護(hù)電池健康。簡單來說，電池電量越滿，接受電能的速度就越慢。電動汽車通常不是滿電狀態(tài)，許多電動汽車制造商通常也不建議頻繁待電量耗至 0% 再充滿至 100%，而是只需充一部分（例如最高充到 80%），這樣可顯著縮短充電時間。此外，電氣化趨勢正逐漸延伸到公共汽車、貨車、重型車輛和農(nóng)業(yè)用車等各種車輛類型甚至是船舶，OBC 還將繼續(xù)發(fā)展，目標(biāo)是實現(xiàn) 22 kW 以上更高功率等級。 汽車整車廠商可以通過構(gòu)建更強(qiáng)大的 OBC 來提高 2 級充電站的充電速度，但這需要利用經(jīng)濟(jì)高效且性能可靠的電子元件，來實現(xiàn)更高的電壓（800 V，而非 400 V）和更高的功率等級。 更高性能 OBC 的關(guān)鍵設(shè)計考慮因素 對于更高性能的 OBC，除了額定功率和電池電壓之外，還有許多因素需要考慮。其中包括散熱管理、封裝限制、器件成本、電磁兼容性 (EMC) 以及對雙向充電的潛在需求。 談到散熱管理，很容易想到增加 OBC 的尺寸和重量。然而，這種簡單的方案并不理想，因為電動汽車的空間有限，難以容納過于龐大 OBC，而且重量增加也會導(dǎo)致縮短車輛的續(xù)航里程。 800 V 電池架構(gòu)可以帶來諸多益處，例如減少導(dǎo)通損耗、提高性能、加快充電和電力輸送速度等，但也為設(shè)計師帶來了許多復(fù)雜難題： • 器件供應(yīng)：尋找適合 800 V 安全運(yùn)轉(zhuǎn)的器件可能會很困難。 • 降額以確保可靠性：即使是合格的器件也可能需要降額，也就是以低于最大容量的功率運(yùn)轉(zhuǎn)，以確保長期可靠性。 • 安全問題：更高電壓的系統(tǒng)需要強(qiáng)大的絕緣和安全功能。 • 測試和驗證：驗證高電壓系統(tǒng)更為復(fù)雜，可能需要專門的設(shè)備和專業(yè)知識。 為此，需要用到擊穿電壓更高的元件，對于 MOSFET 而言尤其如此。事實證明，在需要更快 MOSFET 開關(guān)的更高電壓應(yīng)用（例如 OBC）中，改用高性能碳化硅 (SiC) 元件將大有裨益。開發(fā) PCB 布局時，考慮電壓等級也至關(guān)重要，因為可能需要相應(yīng)地擴(kuò)大元件間距和 PCB 走線之間的距離。同樣，暴露于更高電壓的其他器件（例如連接器、變壓器、電容）也需要更高的額定值。 改進(jìn) OBC 設(shè)計，提升性能和功能 安森美 (onsemi) 是一家值得信賴的高功率汽車應(yīng)用功率模塊供應(yīng)商，可以為向 800 V 電池系統(tǒng)過渡提供強(qiáng)大支持。安森美先進(jìn)的 EliteSiC 1200 V MOSFET 和汽車功率模塊 (APM) 能夠?qū)崿F(xiàn)更高的功率密度，在汽車設(shè)計領(lǐng)域一直深受認(rèn)可。
圖 2：EliteSiC 1200V MOSFET 采用 TO247-4L 封裝，提供開爾文源極連接（第 3 根引線），可消除柵極驅(qū)動環(huán)路內(nèi)共源極寄生電感的影響 APM32 功率模塊系列集成安森美先進(jìn)的 1200 V SiC 器件，針對 800 V 電池架構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，更適用于高電壓和功率級 OBC。APM32 系列包括用于功率因數(shù)校正 (PFC) 級的三相橋模塊，例如采用 1200 V 40 mΩ EliteSiC MOSFET（集成溫度感測）的 NVXK2VR40WDT2。該模塊專為 11 – 22 kW OBC 終端應(yīng)用而設(shè)計。 相較于分立方案，APM32 模塊技術(shù)具有多種優(yōu)勢，包括尺寸更小、散熱設(shè)計更佳、雜散電感更低、內(nèi)部鍵合電阻更低、電流能力更強(qiáng)、EMC 性能更好、可靠性更高等，從而有助于創(chuàng)建高性能雙向 OBC（圖 3）。這不僅能夠增強(qiáng)車輛 OBC 的功能，還能讓電動汽車充當(dāng)移動的電池儲能器。
圖 3：采用 EliteSiC 1200V APM32 功率模塊的高功率 (11 kW-22 kW) 雙向 OBC 方案 圖 3 的 OBC 功率級示例中包含升壓型三相 PFC 和雙向 CLLC 全橋轉(zhuǎn)換器，用于提供必要的功率和電壓處理及先進(jìn)的雙向充電功能。 在全球各地逐漸轉(zhuǎn)向太陽能和風(fēng)能等可持續(xù)能源之際，電網(wǎng)的電力供應(yīng)有時可能供不應(yīng)求。充滿電的電動汽車能夠作為重要的儲能資源，用來支援電網(wǎng)的峰值需求，或者在建筑物主要電源受損的緊急情況下使用。利用安森美 APM32 等模塊，OBC 可以實現(xiàn)電動汽車電池的雙向能量傳輸。由此，電池存儲的能量可以短暫地為房屋供電，之后還能隨時充電。 可靠的設(shè)計和供應(yīng) 與一些將封裝技術(shù)外包的競爭對手不同，安森美的 APM 系列均在內(nèi)部設(shè)計和制造，因而能夠更好地掌控散熱優(yōu)化。此外，安森美為制造商提供了一系列封裝和制造選項，包括裸片、分立元件或模塊，從而確保有合適的方案支持任何先進(jìn)的 OBC 設(shè)計。 結(jié)論 OBC 技術(shù)正蓬勃發(fā)展，不僅能幫助汽車制造商滿足消費者對電動汽車的需求，還能有效應(yīng)對 800 V 電池架構(gòu)等新技術(shù)趨勢。利用安森美系統(tǒng)方案（例如 APM32 功率模塊），汽車設(shè)計人員可以簡化流程并有效滿足新需求，從而在大量減少設(shè)計工作的同時，確保更高的質(zhì)量、可靠性和供應(yīng)鏈一致性。 此外，安森美還提供廣泛的技術(shù)支持、仿真及其他電源方案，其中包含 EliteSiC 1200 V M1 和 M3S MOSFET、EliteSiC 1200V D1 和 D3 二極管，以及電隔離柵極驅(qū)動器、CAN 收發(fā)器和可復(fù)位保險絲等配套器件，旨在助力實現(xiàn)全面、高性能的 OBC 設(shè)計。 下載我們的 OBC 系統(tǒng)方案指南，探索采用安森美的各種器件和方案，實現(xiàn)高性能 OBC。 |
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