更高功率密度和更高效的車載充電器設(shè)計的重要方面和解決方案

汽車行業(yè)的發(fā)展和創(chuàng)新在汽車設(shè)計的幾乎所有方面都在快速發(fā)展，包括底盤、動力總成、信息娛樂、連接和駕駛輔助系統(tǒng)。由于駕駛員的擔憂和壓力增加，對電池電動汽車 (BEV)的快速和廣泛采用提出挑戰(zhàn)的一個主題是為這些車輛充電所需的時間——尤其是在長途公路旅行中。車載充電器 (OBC)的設(shè)計是一個受到比大多數(shù)人更嚴格審查的領(lǐng)域。?

為了尋求更高功率密度和更高效的 OBC，設(shè)計人員正在尋求先進技術(shù)，通過從當前的基于硅的解決方案轉(zhuǎn)向使用寬帶隙 (WBG) 材料的功率半導體技術(shù)，從而在創(chuàng)新中邁出新的一步，例如如碳化硅和氮化鎵. 與基于硅器件的傳統(tǒng)拓撲相比，一旦 WBG 器件的改進的品質(zhì)因數(shù) (FoM) 被充分理解，創(chuàng)新的想法可以幫助設(shè)計人員開發(fā)具有更高開關(guān)頻率的新拓撲，而調(diào)制方案不可能或過于復雜之前實施。此外，有效的熱設(shè)計（即包括新冷卻概念的創(chuàng)新封裝）為即將到來的 OBC 設(shè)計在功率密度和效率方面開辟了前景。?

本文確定了 OBC 設(shè)計的趨勢，比較了半導體技術(shù)之間的 FoM，并介紹了新的表面貼裝器件 (SMD) 封裝。綜合解決方案帶來不同拓撲結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，提供更高的效率和功率密度，并實現(xiàn)將電動汽車集成到智能電網(wǎng)的雙向性。?

OBC 趨勢

OBC 的作用是將來自電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為可用于為牽引電池充電的直流電壓。因為 OBC 只能在車輛停止時執(zhí)行此功能，而 DC/DC 只能在車輛移動時執(zhí)行，所以這個概念增加了額外的重量，必須隨身攜帶但也需要冷卻。因此，必須最小化 OBC 和 DC/DC 的尺寸和重量，以減少其對行駛里程的影響以及e-Powertrain 車廂中占用的體積，同時仍允許快速高效的充電。?

同樣，在未來電網(wǎng)法規(guī)向智能電網(wǎng)發(fā)展的影響下，以及為停電或自然災害提供應急電源的可能性，OBC也受到它們需要允許雙向電力流動這一事實的影響。 .?

在確定 OBC 設(shè)計師面臨的五個關(guān)鍵挑戰(zhàn)時，這些方面密切相關(guān)且相互關(guān)聯(lián)：?

功率等級不斷增加以加快充電時間。當前的插電式混合動力汽車和 BEV 具有 3.6 至 7.2 kW 功率等級的 OBC。原始設(shè)計制造商在未來三到五年內(nèi)為下一代電動汽車設(shè)計的當前 OBC 設(shè)計正在上升到 7.2 到 11 kW 的功率等級范圍。對于配備 800 V 電池的豪華車或高端汽車，OBC 可設(shè)計為高達 22 kW。?

功率密度的增加意義重大，因為它意味著尺寸和重量的減小，有助于擴大電動汽車的行駛里程。提高效率不僅減少了 OBC 內(nèi)的熱量積聚（由于減少了熱管理，從而減小了尺寸并增加了功率密度），而且還允許將來自有限電網(wǎng)的更多能量傳遞給牽引電池，從而減少充電時間.?

效率的提高與前兩個趨勢密切相關(guān)。如果沒有更高效的電源轉(zhuǎn)換器，就不可能以更高的功率密度實現(xiàn)更高的功率等級。同樣，可能會引入針對 OBC 轉(zhuǎn)換器效率目標的額外規(guī)定，例如油箱到車輪的效率。?

雙向操作的要求是 OBC 設(shè)計人員面臨的另一大挑戰(zhàn)。隨著電動汽車變得越來越普遍，電網(wǎng)的壓力將顯著增加，尤其是當人們在每天通勤后的晚上給車輛充電時。電力供應商認識到，電動汽車中存儲的大量能量可能不會立即需要。這可以返回到電網(wǎng)或用于在高峰時間為單個房屋供電，以減少高峰能源需求。然而，要做到這一點，OBC 需要能夠?qū)⒛芰繌臓恳姵貍鬏敾仉娋W(wǎng)，而不是僅僅為 EV 充電。?

電池電壓正在增加。盡管 400-V 電池在未來五年多仍將是主流，但 800-V 電池已經(jīng)變得越來越有吸引力。主要動機主要是在充電和向牽引電機輸送能量時減少電纜中的電流和相關(guān)的 I 2 R 損耗。?

圖 1 著眼于最重要的趨勢以及 OBC 設(shè)計中的相應影響以及每個趨勢的關(guān)鍵解決方案促成因素。?

圖 1：OBC 設(shè)計趨勢對電源設(shè)計人員提出了若干挑戰(zhàn)?

所選擇的拓撲結(jié)構(gòu)對于應對這些挑戰(zhàn)至關(guān)重要，所使用的技術(shù)也是如此——尤其是對于開關(guān)組件。在大多數(shù)情況下，WBG 解決方案可以為提供所需的性能優(yōu)勢做出重大貢獻。?

Si、SiC 和 GaN 之間的品質(zhì)因數(shù)和技術(shù)差異

分析哪種 WBG 設(shè)備適合 OBC 應用的第一步是比較每種技術(shù)的不同 FoM。這些總結(jié)在圖 2 中。?

圖 2：英飛凌提供的不同技術(shù)之間的 FoM 比較?

這些 FoM 中的每一個都有不同的含義，并量化了不同拓撲中存在的含義。值得一提的是，包括RDS( on)溫度系數(shù)在內(nèi)的FoM值越低，該技術(shù)在應用中的定位就越好。正確選擇技術(shù)不是僅選擇一種 FoM，而是選擇它們的組合。?

例如，R DS( on) × Q rr + R DS( on) × E oss + R DS( on )溫度系數(shù)的組合表明 SiC 或 GaN 是硬開關(guān)應用的最佳候選者，例如連續(xù)導通模式圖騰柱功率因數(shù)校正（PFC），并具有最佳的性價比。另一方面，R DS( on) × Q oss + R DS( on) × Q g + V F的組合+ R DS( on)溫度系數(shù)表明 GaN 是最適合用于軟開關(guān)應用的技術(shù)，可在非常高的開關(guān)頻率 (>400 kHz) 下工作。因此，通過減小磁性元件和其他無源器件的尺寸，以及在硅基難以實現(xiàn)的高功率密度設(shè)計中減少冷卻工作，實現(xiàn)了系統(tǒng)級成本的降低匹配的解決方案。?

通過創(chuàng)新的封裝和冷卻方法進行新的熱設(shè)計

在承認 WBG 技術(shù)的優(yōu)勢的同時，設(shè)計人員還必須意識到提高熱性能在實現(xiàn)這些重要目標方面起著至關(guān)重要的作用。?

在當前的SMD 設(shè)計中，熱量的傳導路徑是向下的，通過元件的支腿進入 PCB，PCB 與散熱器相連。在具有挑戰(zhàn)性的應用中，功率組件可以安裝在絕緣金屬基板 (IMS) 上，從而提高熱性能，因為它比標準 FR4 材料具有更好的熱導體。然而，熱量的自然傾向是上升，使得底部冷卻 (BSC) 似乎有些違反直覺。?

通過創(chuàng)新封裝，英飛凌開發(fā)了頂部冷卻 (TSC)分立半導體和 IC。這一概念不僅利用了熱量的自然向上流動，而且提供了許多有利于 OBC 設(shè)計和其他類似應用的額外好處。?

在 BSC 中，冷板/散熱器通常連接到 PCB/IMS 的底部以散熱。這排除了將組件放置在一側(cè)的可能性，從而將功率密度降低了 2 倍。此外，半導體器件與 PCB 熱粘合，這意味著它們將在相同的溫度下工作。由于 FR4 PCB 的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低于許多 WBG 器件的工作溫度，因此它們無法充分發(fā)揮其潛力。?

圖 3：TSC 允許雙面組件放置，從而使功率密度翻倍。?

通過將冷板粘合到功率組件的頂部，這些問題很容易解決，允許將組件放置在兩側(cè)，并且可以在整個工作溫度范圍內(nèi)使用 WBG 設(shè)備。?

由于 IMS 通常涉及為驅(qū)動器和無源元件使用單獨的 FR4 PCB，柵極驅(qū)動器和晶體管之間可能存在很大距離，這不可避免地會增加導致振鈴的寄生效應，這在使用 WBG 器件時是一個非常微妙的話題.?

圖 4：雙面組件允許較短的柵極走線，從而消除了寄生效應。

由于 TSC 允許將所有組件放置在同一雙面 PCB 上，因此驅(qū)動器可以直接放置在相應的晶體管下方，從而消除了 PCB 引起的寄生效應。這提高了系統(tǒng)性能并延長了 MOSFET 的使用壽命。?

存在多種將晶體管封裝熱粘合到散熱器/冷板的選項。一般來說，最直接的方法是在 MOSFET 和散熱器之間放置一個導熱的間隙填充墊。厚度約為 0.5 毫米，這提供了最佳的熱性能，前提是間隙填充物中的任何空隙都得到了解決。?

圖 5：間隙填充物是首選的熱粘合方法，為 HV 應用添加了絕緣體。

在高壓應用中，填隙劑在晶體管和導電散熱器之間提供足夠的電氣隔離方面并不可靠。在這種情況下，大約 0.1 mm 的隔熱材料被放置在間隙填充物和散熱器之間，以提供適當水平的電氣隔離，同時保持出色的熱性能。?

英飛凌的QDPAK (PG-HDSOP-22-1)器件專門設(shè)計用于利用 TSC 的優(yōu)勢。提供多種功能以適應不同的應用。提供了一個開爾文源引腳以實現(xiàn)高水平的可控性和滿載效率。對稱的平行引線布局可確保 PCB 的機械穩(wěn)定性以及易于組裝和測試。?

圖 6：支持 TSC 的 QDPAK 具有多種可制造性/組裝優(yōu)勢。?

WBG 器件支持的具有雙向功率流的拓撲

讓我們從單交流相中最廣泛使用的配置之一開始，以實現(xiàn)雙向性，允許車輛到電網(wǎng) (V2G)/車輛到負載 (V2L)-AC 負載功能。對于 3.6 kW 功率級解決方案，PFC 拓撲的單相就足夠了。但是，對于 7.2 kW 功率等級，建議使用圖騰柱交錯相位以保持適當?shù)男屎蜔峁芾怼V/HV DC/DC 轉(zhuǎn)換器可以通過 CLLC 或雙有源橋拓撲實現(xiàn)。選擇取決于整個負載所需的峰值/整體效率以及首選的可控性。?

在功率半導體方面，每種拓撲的推薦如圖 7 所示。WBG 技術(shù)的正確選擇取決于每個客戶的價值驅(qū)動因素，例如效率、功率密度、成本、系統(tǒng)要求和所選拓撲。值得一提的是，如果 OBC 處于放電模式（即車輛到一切，或 V2X）作為功率因數(shù)等于 1 的電壓源，那么慢腿（Q5 和 Q6）可以填充硅超結(jié) (SJ) 晶體管。但如果 OBC 需要處理無功功率（功率因數(shù)不等于 1），那么慢腿必須安裝 WBG 晶體管，因為硬換向事件必然會發(fā)生。?

基于圖 7 所示的拓撲，保持 Q5 完全關(guān)閉和 Q6 完全開啟可以啟用車輛到車輛 (V2V)、V2L-DC 負載和車輛到直流 (V2DC) 微電網(wǎng)選項。在這種情況下，前端轉(zhuǎn)換器用作交錯式降壓轉(zhuǎn)換器。?

通過共享同一電源電路，無需額外的設(shè)備和成本，即可高效便捷地實現(xiàn)雙向 AC/DC 和雙向 DC/DC 電力傳輸。?

圖 7：使用SiC MOSFET和/或GaN HEMT 晶體管代替 IGBT 和 SJ 器件，可以將 PFC 和 CLLC 中的開關(guān)頻率加倍，以實現(xiàn) > 4 kW/l 的功率密度。?

圖 7 所示的配置可以成為三相交流系統(tǒng)的構(gòu)建塊。換言之，每個構(gòu)建塊都連接到交流電網(wǎng)的每個相位，并且將 HV/HV DC/DC 轉(zhuǎn)換器的次級側(cè)連接在一起。這種方法可以實現(xiàn) 11-kW (3× 3.6 kW) 和 22-kW (3× 7.2 kW) OBC 設(shè)計。?

另一種有吸引力且更簡單的方法可以通過將 WBG 設(shè)備組合用于三相交流系統(tǒng)來實現(xiàn)，如圖 8 所示。在這種配置中，有兩種可能的情況：?

根據(jù)交流電網(wǎng)供電配置以及 PFC 輸出端的直流母線電壓（在此基礎(chǔ)中為 B6/電壓源轉(zhuǎn)換器），HV/HV DC/DC 轉(zhuǎn)換器可以串聯(lián)（對于三相輸入）或并聯(lián)（單相輸入）。這樣做的目的是保持變壓器的相同輸入輸出電壓轉(zhuǎn)換比。?

根據(jù) OBC 系統(tǒng)的功率密度、熱管理和效率要求，HV/HV DC/DC 轉(zhuǎn)換器可以在初級側(cè)串聯(lián)或并聯(lián)。?

圖 8：使用不同電壓等級的 SiC MOSFET 和 GaN HEMT 的三相/單相雙向解決方案，以及針對不同電池電壓等級的 HV/HV DC/DC 轉(zhuǎn)換器中的串聯(lián)/并聯(lián)布置。?

根據(jù)輸出電壓/電池電壓范圍，必須選擇適當?shù)碾妷旱燃?，?650-V GaN HEMT/750-V SiC MOSFET 或 1,200-V SiC MOSFET。選擇目標效率、功率密度和可控性將決定拓撲和功率半導體技術(shù)。?

對于不太復雜的方法并將組件數(shù)量保持在最低限度，HV/HV DC/DC 轉(zhuǎn)換器可以由使用 1,200-V SiC 晶體管的單個轉(zhuǎn)換器組成。?

概括

電氣化和數(shù)字化的大趨勢正在顯著影響電動汽車以及電動汽車技術(shù)的設(shè)計、制造和商業(yè)化。OBC作為加快采用 BEV 和插電式混合動力汽車的關(guān)鍵角色之一備受關(guān)注，在充電時間和行駛覆蓋范圍方面與內(nèi)燃機汽車競爭。?

已經(jīng)確定了影響 OBC 設(shè)計的五個主要趨勢。在所有這些產(chǎn)品中，WBG 技術(shù)的使用實現(xiàn)了更好的功率密度和效率，并擴展了功率等級。設(shè)計人員必須充分了解每種技術(shù)的 FoM，才能針對不同的拓撲準確選擇最合適的解決方案。此外，該技術(shù)本身不足以改進未來 OBC 設(shè)計的不同方面。采用新 TSC 方法的創(chuàng)新封裝對于進一步利用 WBG 晶體管的優(yōu)勢至關(guān)重要。最后，WBG 器件支持具有先進控制算法的創(chuàng)新拓撲結(jié)構(gòu)，允許雙向功率流動，從而將 BEV 集成到交流電網(wǎng)中。?

英飛凌的半導體解決方案可以實現(xiàn)電氣化的核心功能、延長行駛里程、縮短充電時間，并實現(xiàn)具有傳統(tǒng) 12V 域的高壓系統(tǒng)之間的雙向能量流動。在此處了解有關(guān)該公司混合動力車載電池充電器產(chǎn)品的更多信息?？梢栽?strong>此處找到有關(guān)其 WBG 技術(shù)的完整詳細信息。?

審核編輯：劉清