Evolving OBC Designs for Higher Power Tiers and Voltages
作者：安森美半導體 消費者需求不斷攀升，電動汽車 (EV) 必須延長續航里程，方可與傳統的內燃機 (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，或提高主驅逆變器等關鍵高功率器件的運行能效。 為應對電子元件導通損耗和開關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航里程。
圖 1：生產中的電動汽車以及所需的復雜系統 由此，800 V 電池架構越來越普及，并可能最終取代目前的 400 V 技術。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) 的發展步伐，而首先要考慮的是必須支持 800 V 電池架構和處理更高的電壓。為此，現行的標準 650 V 額定芯片元件需過渡到額定電壓最高達 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 能夠將交流電轉換為直流電，因而可以讓汽車利用電網等交流電源進行充電。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。 在目前的充電基礎設施中，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 • 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，但其在全球范圍內分布有限，因此 OBC 仍然不可或缺。此外，許多企業正盡可能提高現有 2 級充電基礎設施的性能并促進更高電壓電池技術的采用，市場對更高能效 OBC 的需求預計仍將持續增長。 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，行業已開始轉向更強大的三相 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。當電池接近滿容量（通常超過 80%）時，充電速度會減慢，以保護電池健康。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，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、重型車輛和農業用車等各種車輛類型甚至是船舶，OBC 還將繼續發展，目標是實現 22 kW 以上更高功率等級。 汽車整車廠商可以通過構建更強大的 OBC 來提高 2 級充電站的充電速度，但這需要利用經濟高效且性能可靠的電子元件，來實現更高的電壓（800 V，而非 400 V）和更高的功率等級。 更高性能 OBC 的關鍵設計考慮因素 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致縮短車輛的續航里程。 800 V 電池架構可以帶來諸多益處，例如減少導通損耗、提高性能、加快充電和電力輸送速度等，但也為設計師帶來了許多復雜難題： • 器件供應：尋找適合 800 V 安全運轉的器件可能會很困難。 • 降額以確�？煽啃裕杭词故呛细竦钠骷部赡苄枰殿~，也就是以低于最大容量的功率運轉，以確保長期可靠性。 • 安全問題：更高電壓的系統需要強大的絕緣和安全功能。 • 測試和驗證：驗證高電壓系統更為復雜，可能需要專門的設備和專業知識。 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 開關的更高電壓應用（例如 OBC）中，改用高性能碳化硅 (SiC) 元件將大有裨益。開發 PCB 布局時，考慮電壓等級也至關重要，因為可能需要相應地擴大元件間距和 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 OBC 設計，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用功率模塊供應商，可以為向 800 V 電池系統過渡提供強大支持。安森美先進的 EliteSiC 1200 V MOSFET 和汽車功率模塊 (APM) 能夠實現更高的功率密度，在汽車設計領域一直深受認可。
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），可消除柵極驅動環路內共源極寄生電感的影響 APM32 功率模塊系列集成安森美先進的 1200 V SiC 器件，針對 800 V 電池架構進行了優化，更適用于高電壓和功率級 OBC。APM32 系列包括用于功率因數校正 (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 終端應用而設計。 相較于分立方案，APM32 模塊技術具有多種優勢，包括尺寸更小、散熱設計更佳、雜散電感更低、內部鍵合電阻更低、電流能力更強、EMC 性能更好、可靠性更高等，從而有助于創建高性能雙向 OBC（圖 3）。這不僅能夠增強車輛 OBC 的功能，還能讓電動汽車充當移動的電池儲能器。
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 全橋轉換器，用于提供必要的功率和電壓處理及先進的雙向充電功能。 在全球各地逐漸轉向太陽能和風能等可持續能源之際，電網的電力供應有時可能供不應求。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。 可靠的設計和供應 與一些將封裝技術外包的競爭對手不同，安森美的 APM 系列均在內部設計和制造，因而能夠更好地掌控散熱優化。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的 OBC 設計。 結論 OBC 技術正蓬勃發展，不僅能幫助汽車制造商滿足消費者對電動汽車的需求，還能有效應對 800 V 電池架構等新技術趨勢。利用安森美系統方案（例如 APM32 功率模塊），汽車設計人員可以簡化流程并有效滿足新需求，從而在大量減少設計工作的同時，確保更高的質量、可靠性和供應鏈一致性。 此外，安森美還提供廣泛的技術支持、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，以及電隔離柵極驅動器、CAN 收發器和可復位保險絲等配套器件，旨在助力實現全面、高性能的 OBC 設計。 下載我們的 OBC 系統方案指南，探索采用安森美的各種器件和方案，實現高性能 OBC。 |
