【技术干货】提升车载充电器效率的电池充电解决方案

自从电动汽车在汽车市场上确立稳固地位以来，电动汽车制造商一直在推动更高功率的传动系统、更大的电池容量和更快的充电速度。为了满足客户的需求并延长行驶里程，电动汽车制造商一直在增加车辆电池的能量容量。然而，更大的电池意味着更长的充电时间。

最常见的充电方法是在家过夜或白天在工作场所充电，这两种情况都为电动汽车提供了不同级别的可用功率。驾驶员可能无法在家中使用住宅电源插座过夜为电动汽车充满电。在工作场所，可能有中等功率的交流充电站，但如果电动汽车配备了较低功率的OBC，则在充电站需要较长的时间充电可能会成为问题。增加OBC的功率容量可以提供更合理的充电时间，但也增加了系统复杂性和设计挑战，虽然高功率直流充电站可以快速将电池充电至其容量的80%，但这种充电形式并不常见。

为了解决充电时间和性能问题，许多电动汽车平台正在从当前的400V电池组迁移到800V电池组。当车辆处于驱动模式时，可以利用较高的可用电压来增加电动机功率输出或提高系统效率，同时保持相同的功率水平。在充电模式下，较高的电池电压会降低电池充电所需的电流，从而缩短充电时间。影响OBC设计的两个关键因素是电压和开关频率，通过提高电压和开关频率，OBC容量可以显着提高。系统架构必须考虑更高的电压，这就是1200 V器件因其更高的阻断电压能力而成为首选的原因。

除了800V主电池组的趋势之外，还有一个并行的趋势是增加OBC的功率能力。6.6kW系列的设备过去很常见，现在许多设计则都是11kW（分相电源）和22kW（三相电源）。虽然家庭中通常无法支持这种功率水平，但美国目前有超过126,000个交流充电站可以支持这种功率水平。功率较高的OBC可以在工作或许多公共场所实现更快的充电时间，从而无需在家中进行完全充电。随着OBC功率水平的提高，碳化硅（SiC）MOSFET的优势也随之增强。

事实证明，在更高开关频率的应用中，与IGBT器件相比，基于SiC的器件更具有优势。SiC技术在向800V电池过渡的过程中继续提供设计优势，OBC系统可以缩小尺寸并提高整体“从墙到轮”的效率。

基于碳化硅（SiC）的功率转换器由于其高效率和功率密度而在电力电子领域变得越来越受欢迎，而这是考虑环境和能源成本的关键因素。SiC功率器件在能源基础设施领域得到快速采用，包括太阳能、UPS、储能和电动汽车充电系统，以提高效率或增加功率密度。

设计人员的目标是减少转换器和器件中的功率损耗，以实现更高的效率水平，以及具有更高功率密度的转换器和器件。SiC器件在当今的电力电子世界中很受欢迎，因为它们可以满足设计人员的需求。SiC器件比硅具有更高的介电击穿强度、能带隙和导热性，因此可以创建更高效、更紧凑的功率转换器，低R_DS(on)和体二极管反向恢复电荷值，是最小化开关和传导损耗的关键参数。

与硅（Si）MOSFET或IGBT相比，SiC的材料特性使设计人员能够实现更低的开关和传导损耗，SiC器件的开关速度更快，工作频率更高，从而节省空间、减少散热、提高效率并减轻功率转换器的重量。更低的开关损耗可以通过更少的冷却工作实现更高的效率，或者通过减小无源器件的尺寸和价值实现更高的开关频率，这些优势可以证明SiC功率器件的较高成本是合理的。

功率损耗可分为传导损耗和开关损耗，开关损耗的产生是因为当其他变量不为零时电流或电压不会瞬时上升或下降。对于功率MOSFET，电流或电压上升或下降所需的时间取决于寄生电容充电或放电的速度。除了寄生电容之外，体二极管的反向恢复电荷（Q_rr）还会引入额外的开关损耗。相反，当器件传导电流时，会因传导而产生损耗。开关损耗取决于器件的动态参数，而静态参数会导致传导损耗。

安森美继成功推出第一代1200 V EliteSiC M1 MOSFET之后，最近还发布了专注于优化开关性能的第二代1200 V EliteSiC M3 MOSFET。其中的M3S产品分为13/22/30/40/70 mΩ，适用于TO247−4L和D2PAK−7L分立封装。NVH4L022N120M3S是经过自动认证的MOSFET，在1200 V时具有最低R_DS(ON) 22 mΩ。

安森美团队针对M3S与M1的关键特性进行了广泛的测试。M3S（NTH4L022N120M3S）需要的总栅极电荷Q_G(TOT)比M1（NTH4L020N120SC1）少，这显着减少了栅极驱动器的灌电流和拉电流量。M3S在V_GS(OP) = +18V的建议值下具有135 nC，R_DS(ON)*Q_G(TOT)中的FOM（品质因数）比旧款M1对应降低了44%，这意味着它只需要56%的栅极电荷即可在同一R_DS(ON)器件中进行切换。

与M1相比，M3S在其寄生电容C_OSS中存储的能量E_OSS更少，因此在较轻负载下具有更高的效率。由于E_OSS取决于漏源电压，而不是电流，因此它成为轻负载时效率的关键损耗。

开关损耗是系统效率的关键参数，M3S在给定条件下实现了大大提高的开关性能，与M1相比，E_OFF降低40%，E_ON降低20−30%，总开关损耗降低34%。在高开关频率应用中，它将消除R_DS(ON)温度系数较高的缺点。

提高开关频率有助于设计人员减小电感器、变压器和电容器等储能组件的尺寸，从而缩小系统体积。更紧凑的尺寸和更高的功率密度使OBC系统的封装尺寸更小，这为工程师提供了更多选择来预算车辆其他地方的额外重量。此外，在较高电压下运行还可以减少整个车辆所需的电流，从而降低电源系统、电池和OBC之间的电缆成本。

安森美的EliteSiC MOSFET采用全新技术，与硅相比，可提供卓越的开关性能和更高的可靠性。此外，低导通电阻和紧凑的芯片尺寸确保了低电容和栅极电荷。因此，系统优势包括最高效率、更快的工作频率、更高的功率密度、更低的EMI，以及更小的系统尺寸。

安森美的M3S（NTH4L022N120M3S）是一款22 mΩ、1200 V，采用TO247-4L封装的EliteSiC MOSFET，其V_gs = 18V、I_d = 60A时最大R_DS(on) = 30mΩ，符合AEC−Q101汽车标准，支持15V至18V栅极驱动，都是无铅器件且符合RoHS标准，采用全新M3S技术，支持22 mΩ R_DS(ON)，E_ON和E_OFF损耗低。

M3S系列除了降低电阻RSP（定义为R_DS(ON)区域）之外，还致力于比第一代 1200 V SiC MOSFET提高开关性能。M3S经过优化，可在工业电源系统的高功率应用中提供更好的性能，例如太阳能逆变器、ESS、UPS和非车载电动汽车充电器。它可以帮助设计人员提高开关频率，同时提高系统效率。

安森美已经发布了第一代1200 V SiC MOSFET产品，名为SC1，尽管对于工业电力系统的1200 V开关中，相较于传统IGBT解决方案，SC1的性能已经有了很大提高，但SC1是针对一般用途、未指定折衷参数，一些设计师希望为自己的系统提供更具体的产品。

安森美第二代的1200 V SiC MOSFET分为两种核心技术，一种是T设计，另一种是S设计。T设计针对的是需要更低R_DS(on)和更好短路能力，而不是更快开关速度的牵引逆变器。S设计针对高开关性能进行了优化，因此设计具有较低的Q_G(TOT)和较高的di/dt和dv/dt，从而降低开关损耗。M3S可应用于OBC、EV/HEV（电动汽车／混合动力汽车）用DC/DC转换器。

随着SiC MOSFET技术的成熟与快速发展，可以有效地降低开关损耗、具有更佳的开关性能和更高的可靠性，因此可以拥有更高的效率、更快的工作频率、更高的功率密度、更低的EMI以及更小的系统尺寸，将会是电动汽车应用的最佳解决方案。安森美的新一代M3S EliteSiC MOSFET拥有优异的效能表现，能够提升OBC、DC/DC转换器的性能，将会是相关应用的理想选择之一。