提升車載充電器效率的

電池充電解決方案

電動汽車（EV）市場的發(fā)展相當迅猛，但是汽車電池的充電速度與所需耗費的時間，仍是電動汽車發(fā)展的主要阻礙，如何提升汽車電池的充電速度與效率，將會是電動汽車市場能否全面取代燃油車的關(guān)鍵要素之一。本文將為您介紹車載充電器（OBC）在架構(gòu)上的發(fā)展趨勢，以及由安森美（onsemi）推出的新款SiC MOSFET的產(chǎn)品特性。

OBC的充電效率是電動汽車

發(fā)展的關(guān)鍵

自從電動汽車在汽車市場上確立穩(wěn)固地位以來，電動汽車制造商一直在推動更高功率的傳動系統(tǒng)、更大的電池容量和更快的充電速度。為了滿足客戶的需求并延長行駛里程，電動汽車制造商一直在增加車輛電池的能量容量。然而，更大的電池意味著更長的充電時間。

最常見的充電方法是在家過夜或白天在工作場所充電，這兩種情況都為電動汽車提供了不同級別的可用功率。駕駛員可能無法在家中使用住宅電源插座過夜為電動汽車充滿電。在工作場所，可能有中等功率的交流充電站，但如果電動汽車配備了較低功率的OBC，則在充電站需要較長的時間充電可能會成為問題。增加OBC的功率容量可以提供更合理的充電時間，但也增加了系統(tǒng)復雜性和設(shè)計挑戰(zhàn)，雖然高功率直流充電站可以快速將電池充電至其容量的80%，但這種充電形式并不常見。

為了解決充電時間和性能問題，許多電動汽車平臺正在從當前的400V電池組遷移到800V電池組。當車輛處于驅(qū)動模式時，可以利用較高的可用電壓來增加電動機功率輸出或提高系統(tǒng)效率，同時保持相同的功率水平。在充電模式下，較高的電池電壓會降低電池充電所需的電流，從而縮短充電時間。影響OBC設(shè)計的兩個關(guān)鍵因素是電壓和開關(guān)頻率，通過提高電壓和開關(guān)頻率，OBC容量可以顯著提高。系統(tǒng)架構(gòu)必須考慮更高的電壓，這就是1200 V器件因其更高的阻斷電壓能力而成為首選的原因。

除了800V主電池組的趨勢之外，還有一個并行的趨勢是增加OBC的功率能力。6.6kW系列的設(shè)備過去很常見，現(xiàn)在許多設(shè)計則都是11kW（分相電源）和22kW（三相電源）。雖然家庭中通常無法支持這種功率水平，但美國目前有超過126,000個交流充電站可以支持這種功率水平。功率較高的OBC可以在工作或許多公共場所實現(xiàn)更快的充電時間，從而無需在家中進行完全充電。隨著OBC功率水平的提高，碳化硅（SiC）MOSFET的優(yōu)勢也隨之增強。

事實證明，在更高開關(guān)頻率的應(yīng)用中，與IGBT器件相比，基于SiC的器件更具有優(yōu)勢。SiC技術(shù)在向800V電池過渡的過程中繼續(xù)提供設(shè)計優(yōu)勢，OBC系統(tǒng)可以縮小尺寸并提高整體“從墻到輪”的效率。

SiC MOSFET可提升充電效率

與增加功率密度

基于碳化硅（SiC）的功率轉(zhuǎn)換器由于其高效率和功率密度而在電力電子領(lǐng)域變得越來越受歡迎，而這是考慮環(huán)境和能源成本的關(guān)鍵因素。SiC功率器件在能源基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域得到快速采用，包括太陽能、UPS、儲能和電動汽車充電系統(tǒng)，以提高效率或增加功率密度。

設(shè)計人員的目標是減少轉(zhuǎn)換器和器件中的功率損耗，以實現(xiàn)更高的效率水平，以及具有更高功率密度的轉(zhuǎn)換器和器件。SiC器件在當今的電力電子世界中很受歡迎，因為它們可以滿足設(shè)計人員的需求。SiC器件比硅具有更高的介電擊穿強度、能帶隙和導熱性，因此可以創(chuàng)建更高效、更緊湊的功率轉(zhuǎn)換器，低RDS(on)和體二極管反向恢復電荷值，是最小化開關(guān)和傳導損耗的關(guān)鍵參數(shù)。

與硅（Si）MOSFET或IGBT相比，SiC的材料特性使設(shè)計人員能夠?qū)崿F(xiàn)更低的開關(guān)和傳導損耗，SiC器件的開關(guān)速度更快，工作頻率更高，從而節(jié)省空間、減少散熱、提高效率并減輕功率轉(zhuǎn)換器的重量。更低的開關(guān)損耗可以通過更少的冷卻工作實現(xiàn)更高的效率，或者通過減小無源器件的尺寸和價值實現(xiàn)更高的開關(guān)頻率，這些優(yōu)勢可以證明SiC功率器件的較高成本是合理的。

功率損耗可分為傳導損耗和開關(guān)損耗，開關(guān)損耗的產(chǎn)生是因為當其他變量不為零時電流或電壓不會瞬時上升或下降。對于功率MOSFET，電流或電壓上升或下降所需的時間取決于寄生電容充電或放電的速度。除了寄生電容之外，體二極管的反向恢復電荷（Qrr）還會引入額外的開關(guān)損耗。相反，當器件傳導電流時，會因傳導而產(chǎn)生損耗。開關(guān)損耗取決于器件的動態(tài)參數(shù)，而靜態(tài)參數(shù)會導致傳導損耗。

新一代SiC MOSFET

具有更低的開關(guān)損耗

安森美繼成功推出第一代1200 V EliteSiC M1 MOSFET之后，最近還發(fā)布了專注于優(yōu)化開關(guān)性能的第二代1200 V EliteSiC M3 MOSFET。其中的M3S產(chǎn)品分為13/22/30/40/70 mΩ，適用于TO247?4L和D2PAK?7L分立封裝。NVH4L022N120M3S是經(jīng)過自動認證的MOSFET，在1200 V時具有最低RDS(ON) 22 mΩ。

安森美團隊針對M3S與M1的關(guān)鍵特性進行了廣泛的測試。M3S（NTH4L022N120M3S）需要的總柵極電荷QG(TOT)比M1（NTH4L020N120SC1）少，這顯著減少了柵極驅(qū)動器的灌電流和拉電流量。M3S在VGS(OP) = +18V的建議值下具有135 nC，RDS(ON)*QG(TOT)中的FOM（品質(zhì)因數(shù)）比舊款M1對應(yīng)降低了44%，這意味著它只需要56%的柵極電荷即可在同一RDS(ON)器件中進行切換。

與M1相比，M3S在其寄生電容COSS中存儲的能量EOSS更少，因此在較輕負載下具有更高的效率。由于EOSS取決于漏源電壓，而不是電流，因此它成為輕負載時效率的關(guān)鍵損耗。

開關(guān)損耗是系統(tǒng)效率的關(guān)鍵參數(shù)，M3S在給定條件下實現(xiàn)了大大提高的開關(guān)性能，與M1相比，EOFF降低40%，EON降低20?30%，總開關(guān)損耗降低34%。在高開關(guān)頻率應(yīng)用中，它將消除RDS(ON)溫度系數(shù)較高的缺點。

提高開關(guān)頻率有助于設(shè)計人員減小電感器、變壓器和電容器等儲能組件的尺寸，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，這為工程師提供了更多選擇來預(yù)算車輛其他地方的額外重量。此外，在較高電壓下運行還可以減少整個車輛所需的電流，從而降低電源系統(tǒng)、電池和OBC之間的電纜成本。

可提供卓越開關(guān)性能和更高

可靠性的SiC MOSFET

安森美的EliteSiC MOSFET采用全新技術(shù)，與硅相比，可提供卓越的開關(guān)性能和更高的可靠性。此外，低導通電阻和緊湊的芯片尺寸確保了低電容和柵極電荷。因此，系統(tǒng)優(yōu)勢包括最高效率、更快的工作頻率、更高的功率密度、更低的EMI，以及更小的系統(tǒng)尺寸。

安森美的M3S（NTH4L022N120M3S）是一款22 mΩ、1200 V，采用TO247-4L封裝的EliteSiC MOSFET，其Vgs = 18V、Id = 60A時最大RDS(on) = 30mΩ，符合AEC?Q101汽車標準，支持15V至18V柵極驅(qū)動，都是無鉛器件且符合RoHS標準，采用全新M3S技術(shù)，支持22 mΩ RDS(ON)，EON和EOFF損耗低。

M3S系列除了降低電阻RSP（定義為RDS(ON)區(qū)域）之外，還致力于比第一代 1200 V SiC MOSFET提高開關(guān)性能。M3S經(jīng)過優(yōu)化，可在工業(yè)電源系統(tǒng)的高功率應(yīng)用中提供更好的性能，例如太陽能逆變器、ESS、UPS和非車載電動汽車充電器。它可以幫助設(shè)計人員提高開關(guān)頻率，同時提高系統(tǒng)效率。

安森美已經(jīng)發(fā)布了第一代1200 V SiC MOSFET產(chǎn)品，名為SC1，盡管對于工業(yè)電力系統(tǒng)的1200 V開關(guān)中，相較于傳統(tǒng)IGBT解決方案，SC1的性能已經(jīng)有了很大提高，但SC1是針對一般用途、未指定折衷參數(shù)，一些設(shè)計師希望為自己的系統(tǒng)提供更具體的產(chǎn)品。

安森美第二代的1200 V SiC MOSFET分為兩種核心技術(shù)，一種是T設(shè)計，另一種是S設(shè)計。T設(shè)計針對的是需要更低RDS(on)和更好短路能力，而不是更快開關(guān)速度的牽引逆變器。S設(shè)計針對高開關(guān)性能進行了優(yōu)化，因此設(shè)計具有較低的QG(TOT)和較高的di/dt和dv/dt，從而降低開關(guān)損耗。M3S可應(yīng)用于OBC、EV/HEV（電動汽車／混合動力汽車）用DC/DC轉(zhuǎn)換器。

結(jié)語

隨著SiC MOSFET技術(shù)的成熟與快速發(fā)展，可以有效地降低開關(guān)損耗、具有更佳的開關(guān)性能和更高的可靠性，因此可以擁有更高的效率、更快的工作頻率、更高的功率密度、更低的EMI以及更小的系統(tǒng)尺寸，將會是電動汽車應(yīng)用的最佳解決方案。安森美的新一代M3S EliteSiC MOSFET擁有優(yōu)異的效能表現(xiàn)，能夠提升OBC、DC/DC轉(zhuǎn)換器的性能，將會是相關(guān)應(yīng)用的理想選擇之一。

審核編輯：湯梓紅