提升車載充電器效率的

電池充電解決方案

電動(dòng)汽車（EV）市場(chǎng)的發(fā)展相當(dāng)迅猛，但是汽車電池的充電速度與所需耗費(fèi)的時(shí)間，仍是電動(dòng)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(huì)是電動(dòng)汽車市場(chǎng)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(shì)，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(dòng)汽車

發(fā)展的關(guān)鍵

自從電動(dòng)汽車在汽車市場(chǎng)上確立穩(wěn)固地位以來，電動(dòng)汽車制造商一直在推動(dòng)更高功率的傳動(dòng)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(zhǎng)行駛里程，電動(dòng)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(zhǎng)的充電時(shí)間。

最常見的充電方法是在家過夜或白天在工作場(chǎng)所充電，這兩種情況都為電動(dòng)汽車提供了不同級(jí)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(dòng)汽車充滿電。在工作場(chǎng)所，可能有中等功率的交流充電站，但如果電動(dòng)汽車配備了較低功率的OBC，則在充電站需要較長(zhǎng)的時(shí)間充電可能會(huì)成為問題。增加OBC的功率容量可以提供更合理的充電時(shí)間，但也增加了系統(tǒng)復(fù)雜性和設(shè)計(jì)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(shí)間和性能問題，許多電動(dòng)汽車平臺(tái)正在從當(dāng)前的400V電池組遷移到800V電池組。當(dāng)車輛處于驅(qū)動(dòng)模式時(shí)，可以利用較高的可用電壓來增加電動(dòng)機(jī)功率輸出或提高系統(tǒng)效率，同時(shí)保持相同的功率水平。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，從而縮短充電時(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(shì)之外，還有一個(gè)并行的趨勢(shì)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(jì)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(guó)目前有超過126,000個(gè)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(chǎng)所實(shí)現(xiàn)更快的充電時(shí)間，從而無需在家中進(jìn)行完全充電。隨著OBC功率水平的提高，碳化硅（SiC）MOSFET的優(yōu)勢(shì)也隨之增強(qiáng)。

事實(shí)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(shì)。SiC技術(shù)在向800V電池過渡的過程中繼續(xù)提供設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，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(chǔ)能和電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)，以提高效率或增加功率密度。

設(shè)計(jì)人員的目標(biāo)是減少轉(zhuǎn)換器和器件中的功率損耗，以實(shí)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(dāng)今的電力電子世界中很受歡迎，因?yàn)樗鼈兛梢詽M足設(shè)計(jì)人員的需求。SiC器件比硅具有更高的介電擊穿強(qiáng)度、能帶隙和導(dǎo)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(fù)電荷值，是最小化開關(guān)和傳導(dǎo)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(jì)人員能夠?qū)崿F(xiàn)更低的開關(guān)和傳導(dǎo)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(shí)現(xiàn)更高的效率，或者通過減小無源器件的尺寸和價(jià)值實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率，這些優(yōu)勢(shì)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(dǎo)損耗和開關(guān)損耗，開關(guān)損耗的產(chǎn)生是因?yàn)楫?dāng)其他變量不為零時(shí)電流或電壓不會(huì)瞬時(shí)上升或下降。對(duì)于功率MOSFET，電流或電壓上升或下降所需的時(shí)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(fù)電荷（Qrr）還會(huì)引入額外的開關(guān)損耗。相反，當(dāng)器件傳導(dǎo)電流時(shí)，會(huì)因傳導(dǎo)而產(chǎn)生損耗。開關(guān)損耗取決于器件的動(dòng)態(tài)參數(shù)，而靜態(tài)參數(shù)會(huì)導(dǎo)致傳導(dǎo)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(dòng)認(rèn)證的MOSFET，在1200 V時(shí)具有最低RDS(ON) 22 mΩ。

安森美團(tuán)隊(duì)針對(duì)M3S與M1的關(guān)鍵特性進(jìn)行了廣泛的測(cè)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(dòng)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(duì)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(jìn)行切換。

與M1相比，M3S在其寄生電容COSS中存儲(chǔ)的能量EOSS更少，因此在較輕負(fù)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(fù)載時(shí)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(shí)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(diǎn)。

提高開關(guān)頻率有助于設(shè)計(jì)人員減小電感器、變壓器和電容器等儲(chǔ)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(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。

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(dǎo)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(shì)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(shí)最大RDS(on) = 30mΩ，符合AEC?Q101汽車標(biāo)準(zhǔn)，支持15V至18V柵極驅(qū)動(dòng)，都是無鉛器件且符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)，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(dòng)汽車充電器。它可以幫助設(shè)計(jì)人員提高開關(guān)頻率，同時(shí)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(duì)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(duì)一般用途、未指定折衷參數(shù)，一些設(shè)計(jì)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(jì)，另一種是S設(shè)計(jì)。T設(shè)計(jì)針對(duì)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(jì)針對(duì)高開關(guān)性能進(jìn)行了優(yōu)化，因此設(shè)計(jì)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(dòng)汽車／混合動(dòng)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(huì)是電動(dòng)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(huì)是相關(guān)應(yīng)用的理想選擇之一。

審核編輯：湯梓紅