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電動汽車的車載電源一般由兩部分構(gòu)成，一是為高壓動力電池充電的功率變換器，稱為車載充電機(jī)（OBC）；二是為12V蓄電池及車載電器供電的功率變換器，稱為車載DC/DC變換器（LVDC或APM）。由于LVDC的輸入為高壓動力電池，且功率等級一般為2~3kW，體積較小，因此常和OBC集成在同一塊PCB上，減小電源系統(tǒng)的總體積。如某品牌電動汽車就將OBC與LVDC兩者集成為一個模塊。本期為大家?guī)硖厮估璏odel 3車載充電機(jī)的拆解與分析。
特斯拉Model 3車載充電機(jī)使用帶有水道的鋁合金板作為機(jī)殼，減重的同時保證對內(nèi)部器件的散熱。對外有三相交流接口、高壓直流接口、低壓直流接口、通訊接口和兩個冷卻水道接口。
車載充電機(jī)整體外觀
該充電機(jī)內(nèi)部集成了OBC和LVDC兩個功率變換器，整機(jī)并未采用平面化的磁件，因此交流共模濾波器和HVDC的變壓器占了較大一部分體積。整機(jī)使用了大量的導(dǎo)熱硅脂將開關(guān)管、變壓器等產(chǎn)生的熱量導(dǎo)入水冷板，保證高功率下元器件不會過熱而損壞。所有開關(guān)管均安置在PCB背面，開關(guān)管方面與意法半導(dǎo)體合作，采用了定制的頂部散熱SMD封裝，實現(xiàn)與TO-247相當(dāng)?shù)纳酨AD面積和更小的器件體積。此外，主控部分和功率板放在同一塊板上，增加了集成化。
車載充電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)
車載充電機(jī)水冷底板
車載充電機(jī)PCB背面
交流共模濾波器部分，由于整機(jī)功率20kW，交流電流較高，因此共模電感體積很大。為了保證散熱，在共模電感上填充了大量的導(dǎo)熱硅脂并緊密貼合在水冷底板上。
車載充電機(jī)交流共模濾波器
PFC部分可能使用了三相的無橋PFC拓?fù)洹Ｓ捎谌齻€PFC升壓電感體積很大，因此并未放在主功率板上，而是放在了水冷板外部，通過接插件與功率板連接。三個電感之間使用了絕緣材料進(jìn)行了隔離。經(jīng)測量，PFC電感感量大致范圍在250~270uH。PFC輸出電容由三顆KEMET 500Vdc/330 uF并聯(lián)而成，因此PFC直流母線電壓應(yīng)為400Vdc等級。
PFC部分的PCB結(jié)構(gòu)
PFC部分的開關(guān)管布置及其中一種開關(guān)管
PFC電感安置位置
PFC電感(左)及其電感量(右)
PFC輸出濾波電容
向高壓動力電池充電的隔離型DC/DC變換器（HVDC）部分，特斯拉Model 3車載充電機(jī)的HVDC采用的是LLC諧振變換器。由于采用的是三個分離的變壓器，因此可推測其采用了三個相同的LLC變換器并聯(lián)達(dá)到整機(jī)20kW功率，每個LLC變換器功率約為6.6kW。經(jīng)拆解可見，變壓器采用的磁芯可能為PQ40/40，為了保證散熱，將變壓器放入鋁制外殼中并在其中填充大量導(dǎo)熱硅脂，然后將整體固定在水冷底板上。輸出共模電感也采用了同樣的散熱方案。
利用LCR測試儀測量變壓器的漏感和勵磁電感，可測得變壓器的漏感約為13~14uH，原邊勵磁電感約為80~85uH，因此特斯拉Model 3 HVDC中的LLC對諧振電感和勵磁電感實現(xiàn)了磁集成，可減小整機(jī)體積；諧振電容經(jīng)測量為25~26nF，因此可計算得知LLC變換器諧振頻率約為270~280 kHz。根據(jù)先前的推測與每個單元的功率等級，可大致計算其開關(guān)頻率的大致范圍為230~370 kHz。
HVDC主拓?fù)?/span>
HVDC變壓器底部
HVDC輸出共模濾波器底部
HVDC變壓器漏感(左)和勵磁電感(右)
HVDC諧振電容的測量
LVDC部分，位于整個PCB的右上角。占據(jù)體積較大的仍然是磁件和輸出濾波電容。將諧振電感和變壓器堆疊在一起減小了占板面積，在散熱上采用了與HVDC變壓器相同的方案。輸出濾波電容采用了全MLCC方式，避免使用壽命相對較短的電解電容，提高長期的可靠性。LVDC低壓側(cè)利用一大塊導(dǎo)熱硅脂填充大電流的開關(guān)管與水冷底板間的空隙，這種方式保證了大電流下的散熱能力。LVDC低壓側(cè)采用焊接二極管封裝，結(jié)合中心抽頭變壓器，可推測LVDC使用了全波整流LLC諧振變換拓?fù)洹?/span>
LVDC電路結(jié)構(gòu)
LVDC變壓器
LVDC低壓側(cè)結(jié)構(gòu)
總體來說，所拆解的特斯拉Model 3車載充電機(jī)盡管是前幾代的產(chǎn)品，新一代充電機(jī)已經(jīng)進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，但是舊款產(chǎn)品依然做工優(yōu)秀，非常重視散熱。為了減小整機(jī)體積，對磁件進(jìn)行磁集成、在開關(guān)管封裝上與意法半導(dǎo)體合作開發(fā)頂部散熱的SMD封裝、將LVDC、HVDC、PFC和主控全部集成在同一塊PCB上，都是相當(dāng)有效的設(shè)計。
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