【技術干貨】提升車載充電器效率的電池充電解決方案

自從電動汽車在汽車市場上確立穩固地位以來，電動汽車制造商一直在推動更高功率的傳動系統、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，但也增加了系統復雜性和設計挑戰，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設計的兩個關鍵因素是電壓和開關頻率，通過提高電壓和開關頻率，OBC容量可以顯著提高。系統架構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系列的設備過去很常見，現在許多設計則都是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的優勢也隨之增強。

事實證明，在更高開關頻率的應用中，與IGBT器件相比，基于SiC的器件更具有優勢。SiC技術在向800V電池過渡的過程中繼續提供設計優勢，OBC系統可以縮小尺寸并提高整體“從墻到輪”的效率。

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

設計人員的目標是減少轉換器和器件中的功率損耗，以實現更高的效率水平，以及具有更高功率密度的轉換器和器件。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，因此可以創建更高效、更緊湊的功率轉換器，低R_DS(on)和體二極管反向恢復電荷值，是最小化開關和傳導損耗的關鍵參數。

與硅（Si）MOSFET或IGBT相比，SiC的材料特性使設計人員能夠實現更低的開關和傳導損耗，SiC器件的開關速度更快，工作頻率更高，從而節省空間、減少散熱、提高效率并減輕功率轉換器的重量。更低的開關損耗可以通過更少的冷卻工作實現更高的效率，或者通過減小無源器件的尺寸和價值實現更高的開關頻率，這些優勢可以證明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損耗，開關損耗的產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（Q_rr）還會引入額外的開關損耗。相反，當器件傳導電流時，會因傳導而產生損耗。開關損耗取決于器件的動態參數，而靜態參數會導致傳導損耗。

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

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

與M1相比，M3S在其寄生電容C_OSS中存儲的能量E_OSS更少，因此在較輕負載下具有更高的效率。由于E_OSS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鍵損耗。

開關損耗是系統效率的關鍵參數，M3S在給定條件下實現了大大提高的開關性能，與M1相比，E_OFF降低40%，E_ON降低20?30%，總開關損耗降低34%。在高開關頻率應用中，它將消除R_DS(ON)溫度系數較高的缺點。

提高開關頻率有助于設計人員減小電感器、變壓器和電容器等儲能組件的尺寸，從而縮小系統體積。更緊湊的尺寸和更高的功率密度使OBC系統的封裝尺寸更小，這為工程師提供了更多選擇來預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、電池和OBC之間的電纜成本。

安森美的EliteSiC MOSFET采用全新技術，與硅相比，可提供卓越的開關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，系統優勢包括最高效率、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V_gs = 18V、I_d = 60A時最大R_DS(on) = 30mΩ，符合AEC?Q101汽車標準，支持15V至18V柵極驅動，都是無鉛器件且符合RoHS標準，采用全新M3S技術，支持22 mΩ R_DS(ON)，E_ON和E_OFF損耗低。

M3S系列除了降低電阻RSP（定義為R_DS(ON)區域）之外，還致力于比第一代 1200 V SiC MOSFET提高開關性能。M3S經過優化，可在工業電源系統的高功率應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。它可以幫助設計人員提高開關頻率，同時提高系統效率。

安森美已經發布了第一代1200 V SiC MOSFET產品，名為SC1，盡管對于工業電力系統的1200 V開關中，相較于傳統IGBT解決方案，SC1的性能已經有了很大提高，但SC1是針對一般用途、未指定折衷參數，一些設計師希望為自己的系統提供更具體的產品。

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

隨著SiC MOSFET技術的成熟與快速發展，可以有效地降低開關損耗、具有更佳的開關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以及更小的系統尺寸，將會是電動汽車應用的最佳解決方案。安森美的新一代M3S EliteSiC MOSFET擁有優異的效能表現，能夠提升OBC、DC/DC轉換器的性能，將會是相關應用的理想選擇之一。