【導讀】消費者需求不斷攀升，電動(dòng)汽車(chē)(EV)必須延長(cháng)續航里程，方可與傳統的內燃機(ICE)汽車(chē)相媲美。解決這個(gè)問(wèn)題主要有兩種方法：在不顯著(zhù)增加電池尺寸或重量的情況下提升電池容量，或提高主驅逆變器等關(guān)鍵高功率器件的運行能效。為應對電子元件導通損耗和開(kāi)關(guān)損耗造成的巨大功率損耗，汽車(chē)制造商正在通過(guò)提高電池電壓來(lái)增加車(chē)輛的續航里程。
消費者需求不斷攀升，電動(dòng)汽車(chē)(EV)必須延長(cháng)續航里程，方可與傳統的內燃機(ICE)汽車(chē)相媲美。解決這個(gè)問(wèn)題主要有兩種方法：在不顯著(zhù)增加電池尺寸或重量的情況下提升電池容量，或提高主驅逆變器等關(guān)鍵高功率器件的運行能效。為應對電子元件導通損耗和開(kāi)關(guān)損耗造成的巨大功率損耗，汽車(chē)制造商正在通過(guò)提高電池電壓來(lái)增加車(chē)輛的續航里程。
圖1：生產(chǎn)中的電動(dòng)汽車(chē)以及所需的復雜系統
由此，800 V 電池架構越來(lái)越普及，并可能最終取代目前的400 V 技術(shù)。然而，電池容量越大，所需的充電時(shí)間就越長(cháng)，這正是車(chē)主的另一個(gè)顧慮，意味著(zhù)若在抵達目的地前需中途充電，將要等待很長(cháng)時(shí)間。
因此，就像需要提高電池電壓一樣，汽車(chē)整車(chē)廠(chǎng)商也必須跟上電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載充電器(OBC)的發(fā)展步伐，而首先要考慮的是必須支持800 V 電池架構和處理更高的電壓。為此，現行的標準650 V 額定芯片元件需過(guò)渡到額定電壓最高達1200 V 的芯片元件。此外，為加快電池充電速率，對更高額定功率OBC的需求也在日益增長(cháng)。
消費者迫切需要更出色的性能
OBC能夠將交流電轉換為直流電，因而可以讓汽車(chē)利用電網(wǎng)等交流電源進(jìn)行充電。充電站的輸出峰值會(huì )明顯限制充電速度，同樣的，OBC的峰值功率處理能力也是充電速度的一大影響因素。
在目前的充電基礎設施中，充電樁分為三個(gè)等級：
1 級的最大功率為 3.6 kW
2 級的功率為 3.6 kW 到大約 22 kW ，與 OBC 的最大容量相當
3 級提供直流電，無(wú)需使用 OBC，功率為 50 kW 到 350+ kW
盡管速度較快的3級直流充電站已投入使用，但其在全球范圍內分布有限，因此OBC仍然不可或缺。此外，許多企業(yè)正盡可能提高現有2級充電基礎設施的性能并促進(jìn)更高電壓電池技術(shù)的采用，市場(chǎng)對更高能效OBC的需求預計仍將持續增長(cháng)。
表1：OBC的不同功率等級及其對80 kWh 電池充電時(shí)間的影響
表1列舉了常見(jiàn)的OBC功率等級及大致充電時(shí)間。為加快充電速度、滿(mǎn)足消費者需求，行業(yè)已開(kāi)始轉向更強大的三相OBC。然而，電動(dòng)汽車(chē)的實(shí)際充電時(shí)間取決于多個(gè)因素。
首先我們需要明確一點(diǎn)，充電并不是一個(gè)線(xiàn)性過(guò)程。當電池接近滿(mǎn)容量（通常超過(guò)80%）時(shí)，充電速度會(huì )減慢，以保護電池健康。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，電池電量越滿(mǎn)，接受電能的速度就越慢。電動(dòng)汽車(chē)通常不是滿(mǎn)電狀態(tài)，許多電動(dòng)汽車(chē)制造商通常也不建議頻繁待電量耗至0%再充滿(mǎn)至100%，而是只需充一部分（例如最高充到80%），這樣可顯著(zhù)縮短充電時(shí)間。此外，電氣化趨勢正逐漸延伸到公共汽車(chē)、貨車(chē)、重型車(chē)輛和農業(yè)用車(chē)等各種車(chē)輛類(lèi)型甚至是船舶，OBC還將繼續發(fā)展，目標是實(shí)現22 kW 以上更高功率等級。
汽車(chē)整車(chē)廠(chǎng)商可以通過(guò)構建更強大的OBC來(lái)提高2級充電站的充電速度，但這需要利用經(jīng)濟高效且性能可靠的電子元件，來(lái)實(shí)現更高的電壓（800 V，而非400 V）和更高的功率等級。
對于更高性能的OBC，除了額定功率和電池電壓之外，還有許多因素需要考慮。其中包括散熱管理、封裝限制、器件成本、電磁兼容性(EMC)以及對雙向充電的潛在需求。
談到散熱管理，很容易想到增加OBC的尺寸和重量。然而，這種簡(jiǎn)單的方案并不理想，因為電動(dòng)汽車(chē)的空間有限，難以容納過(guò)于龐大OBC，而且重量增加也會(huì )導致縮短車(chē)輛的續航里程。
800 V 電池架構可以帶來(lái)諸多益處，例如減少導通損耗、提高性能、加快充電和電力輸送速度等，但也為設計師帶來(lái)了許多復雜難題：
器件供應：尋找適合 800 V 安全運轉的器件可能會(huì )很困難。
降額以確?？煽啃裕杭词故呛细竦钠骷部赡苄枰殿~，也就是以低于最大容量的功率運轉，以確保長(cháng)期可靠性。
安全問(wèn)題：更高電壓的系統需要強大的絕緣和安全功能。
測試和驗證：驗證高電壓系統更為復雜，可能需要專(zhuān)門(mén)的設備和專(zhuān)業(yè)知識。
為此，需要用到擊穿電壓更高的元件，對于MOSFET而言尤其如此。事實(shí)證明，在需要更快MOSFET開(kāi)關(guān)的更高電壓應用（例如OBC）中，改用高性能碳化硅(SiC)元件將大有裨益。開(kāi)發(fā)PCB布局時(shí)，考慮電壓等級也至關(guān)重要，因為可能需要相應地擴大元件間距和PCB走線(xiàn)之間的距離。同樣，暴露于更高電壓的其他器件（例如連接器、變壓器、電容）也需要更高的額定值。
安森美(onsemi)是一家值得信賴(lài)的高功率汽車(chē)應用功率模塊供應商，可以為向800 V 電池系統過(guò)渡提供強大支持。安森美先進(jìn)的EliteSiC 1200 V MOSFET和汽車(chē)功率模塊(APM)能夠實(shí)現更高的功率密度，在汽車(chē)設計領(lǐng)域一直深受認可。
圖2：EliteSiC 1200V MOSFET 采用TO247-4L封裝，提供開(kāi)爾文源極連接（第3根引線(xiàn)），可消除柵極驅動(dòng)環(huán)路內共源極寄生電感的影響
APM32功率模塊系列集成安森美先進(jìn)的1200 V SiC 器件，針對800 V 電池架構進(jìn)行了優(yōu)化，更適用于高電壓和功率級OBC。APM32系列包括用于功率因數校正(PFC)級的三相橋模塊，例如采用1200 V 40 mΩ EliteSiC MOSFET（集成溫度感測）的NVXK2VR40WDT2。該模塊專(zhuān)為11 – 22 kW OBC 終端應用而設計。
相較于分立方案，APM32模塊技術(shù)具有多種優(yōu)勢，包括尺寸更小、散熱設計更佳、雜散電感更低、內部鍵合電阻更低、電流能力更強、EMC性能更好、可靠性更高等，從而有助于創(chuàng )建高性能雙向OBC（圖3）。這不僅能夠增強車(chē)輛OBC的功能，還能讓電動(dòng)汽車(chē)充當移動(dòng)的電池儲能器。
圖3：采用EliteSiC 1200V APM32 功率模塊的高功率(11 kW-22 kW) 雙向OBC方案
圖3的OBC功率級示例中包含升壓型三相PFC和雙向CLLC全橋轉換器，用于提供必要的功率和電壓處理及先進(jìn)的雙向充電功能。
在全球各地逐漸轉向太陽(yáng)能和風(fēng)能等可持續能源之際，電網(wǎng)的電力供應有時(shí)可能供不應求。充滿(mǎn)電的電動(dòng)汽車(chē)能夠作為重要的儲能資源，用來(lái)支援電網(wǎng)的峰值需求，或者在建筑物主要電源受損的緊急情況下使用。利用安森美APM32等模塊，OBC可以實(shí)現電動(dòng)汽車(chē)電池的雙向能量傳輸。由此，電池存儲的能量可以短暫地為房屋供電，之后還能隨時(shí)充電。
可靠的設計和供應
與一些將封裝技術(shù)外包的競爭對手不同，安森美的APM系列均在內部設計和制造，因而能夠更好地掌控散熱優(yōu)化。此外，安森美為制造商提供了一系列封裝和制造選項，包括裸片、分立元件或模塊，從而確保有合適的方案支持任何先進(jìn)的OBC設計。
結論
OBC技術(shù)正蓬勃發(fā)展，不僅能幫助汽車(chē)制造商滿(mǎn)足消費者對電動(dòng)汽車(chē)的需求，還能有效應對800 V 電池架構等新技術(shù)趨勢。利用安森美系統方案（例如APM32功率模塊），汽車(chē)設計人員可以簡(jiǎn)化流程并有效滿(mǎn)足新需求，從而在大量減少設計工作的同時(shí)，確保更高的質(zhì)量、可靠性和供應鏈一致性。
此外，安森美還提供廣泛的技術(shù)支持、仿真及其他電源方案，其中包含EliteSiC 1200 V M1和M3SMOSFET、EliteSiC 1200V D1和D3二極管，以及電隔離柵極驅動(dòng)器、CAN收發(fā)器和可復位保險絲等配套器件，旨在助力實(shí)現全面、高性能的OBC設計。
文章來(lái)源：安森美
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