【導(dǎo)讀】自電動(dòng)汽車 (EV) 在汽車市場站穩(wěn)腳跟以來,電動(dòng)汽車制造商一直在追求更高功率的傳動(dòng)系統(tǒng)、更大的電池容量和更短的充電時(shí)間。為滿足客戶需求和延長行駛里程,電動(dòng)汽車制造商不斷增加車輛的電池容量。然而,電池越大,意味著充電的時(shí)間就越長。
最常見的充電方法是在家充一整夜或白天到工作場所充電。這兩種情況對電動(dòng)汽車的功率水平提出了不同的要求。使用家中的住宅電源插座可能無法在一整夜后就為電動(dòng)汽車充滿電。工作場所提供的可能是中等功率的交流充電樁,如果汽車配備的是較低功率的車載充電器 (OBC),那么充電樁使用時(shí)間可能會(huì)成為一個(gè)問題。加大 OBC 功率會(huì)讓充電時(shí)間更合理,但這也增加了系統(tǒng)復(fù)雜性和設(shè)計(jì)難度。雖然高功率直流充電樁可以將電池快充到 80% 的電量,但這還遠(yuǎn)未普及。
為同時(shí)解決充電時(shí)間和性能問題,許多電動(dòng)汽車平臺正從目前的 400V 電池組遷移到 800V 電池組。當(dāng)車輛處于行駛模式時(shí),可以利用較高的可用電壓在保持功率水平不變的情況下增加電機(jī)功率輸出或提高系統(tǒng)效率。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,并且可以縮短充電時(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。通過增加電壓和開關(guān)頻率,可以顯著提高 OBC 容量。系統(tǒng)架構(gòu)必須考慮更高的電壓,1200V 器件之所以受歡迎,正是因?yàn)槠鋼碛懈叩淖钄嚯妷耗芰Α?/p>
除了大力發(fā)展 800V 主電池組外,提高 OBC 的功率也是當(dāng)前的一大趨勢。過去,6.6kW 功率的充電樁很常見。如今,很多設(shè)計(jì)都是 11kW(分相電源)和 22kW(三相電源)。雖然這種功率水平往往在家中無法實(shí)現(xiàn),但美國目前擁有超過 126,000 個(gè)這種功率水平的交流充電樁。OBC 的功率越高,在上班期間或許多公共場所充電就越快,從而無需在家中充滿電。隨著 OBC 功率水平的提高,碳化硅 (SiC) MOSFET 的優(yōu)勢也進(jìn)一步凸顯。
事實(shí)證明,在更高開關(guān)頻率的應(yīng)用中,基于 SiC 的組件相比 IGBT 組件更具優(yōu)勢。SiC 技術(shù)還為 800V 電池的開發(fā)提供了設(shè)計(jì)優(yōu)勢。它可以縮小 OBC 系統(tǒng)的尺寸并提高“從發(fā)電到驅(qū)動(dòng)”的整體效率。
繼成功推出第一代 1200 V EliteSiC M1 MOSFET 后,安森美最近發(fā)布了第二代 1200 V EliteSiC M3 MOSFET,著重優(yōu)化了開關(guān)性能。M3S 產(chǎn)品包括 13/22/30/40/70 mΩ,適用于 TO247-4L 和 D2PAK?7L 的分立式封裝。NVH4L022N120M3S 是符合車規(guī)要求的 MOSFET,在 1200 V 時(shí)的導(dǎo)通電阻 RDS(ON) 最低為 22 m?。
安森美團(tuán)隊(duì)已經(jīng)對 M3S 相較于 M1 的關(guān)鍵特性優(yōu)勢進(jìn)行了廣泛的測試。有關(guān)測評設(shè)置的更多詳細(xì)信息,請參閱該應(yīng)用手冊。M3S (NTH4L022N120M3S) 需要的總柵極電荷 QG(TOT) 相比 M1 (NTH4L020N120SC1) 更少,這大大降低了柵極驅(qū)動(dòng)器的灌電流和拉電流(如圖 1 所示)。在默認(rèn) VGS(OP) = +18V 的情況下,M3S 的電荷為 135 nC,與之前的 M1 相比,RDS(ON)*QG(TOT) 中的 FOM(品質(zhì)因數(shù))減小了 44%,說明在導(dǎo)通電阻 RDS(ON) 器件相同的情況下,只需要 56% 的開關(guān)柵極電荷。
與 M1 相比,M3S 在其寄生電容 COSS 中存儲(chǔ)的能量 EOSS 更少,因此在更輕的負(fù)載下具有更高的效率(圖 2)。由于 EOSS 取決于漏源電壓,而不是電流,因此它是輕載時(shí)效率的關(guān)鍵損耗。
圖 1. 總柵極電荷
圖 2. EOSS(COSS 中存儲(chǔ)的能量)
開關(guān)損耗是系統(tǒng)效率的關(guān)鍵參數(shù)。圖 3. 顯示了開關(guān)性能,其中在給定條件下 M3S 的開關(guān)性能大幅改善,EOFF 相比 M1 降低了 40%,EON 降低了 20-30%,總開關(guān)損耗降低了 34%。在高開關(guān)頻率應(yīng)用中,它將消除導(dǎo)通電阻 RDS(ON)溫度系數(shù)較高的缺點(diǎn)。
圖 3. 電感開關(guān)損耗
提高開關(guān)頻率有助于設(shè)計(jì)人員減小儲(chǔ)能組件(如電感器、變壓器和電容)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,這讓工程師有更多機(jī)會(huì)為車輛其它地方分配更多重量。此外,在更高的電壓下運(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。
作者:安森美產(chǎn)品推廣工程師Vladimir Halaj
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