設(shè)計(jì)高性能和高功率密度的車載充電器

電動(dòng)汽車 （EV） 正變得越來(lái)越普遍，大量的全國(guó)和全球激勵(lì)措施正在使這些車輛對(duì)消費(fèi)者來(lái)說(shuō)更具成本效益。這導(dǎo)致 2023 年電動(dòng)汽車銷量超過(guò) 1300 萬(wàn)輛，與 2022 年銷量相比，純電動(dòng)汽車 （BEV） 和插電式混合動(dòng)力汽車 （PHEV） 的銷量增長(zhǎng)了 30% 以上。

隨著碳中和成為全球主題，汽車制造商繼續(xù)加大對(duì)電動(dòng)汽車的投入。雖然 300 英里的續(xù)航里程是電動(dòng)汽車的基準(zhǔn)，但較新的電動(dòng)汽車的續(xù)航里程可達(dá) 400 至 500 英里。另一方面，大多數(shù)插電式混合動(dòng)力車提供的動(dòng)力總成可以僅靠電池行駛 25 到 50 英里，然后用內(nèi)燃機(jī)補(bǔ)充電池。

車載充電器的重要性

擁有電動(dòng)汽車的一個(gè)重要方面是汽車的充電速度——影響家庭電動(dòng)汽車充電的一個(gè)系統(tǒng)是[車載充電器](（OBC）。OBC 將用戶家中的交流電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換為可以為 EV 或 PHEV 電池充電的直流電壓。這些通常使用 L1 或 L2 交流充電器充電，這些充電器可以在家庭和工作場(chǎng)所找到。L1 充電器可提供 1 kW 至 3 kW 的功率，而 L2 充電器可提供 3 kW 至 22 kW 的功率。

傳統(tǒng)上，許多插電式混合動(dòng)力車的車載充電器支持 3.3 kW（甚至 6.6 kW）。然而，為了對(duì)抗里程焦慮，電池尺寸正在增加，因此如今許多電動(dòng)汽車都擁有 11 kW OBC。新的、正在進(jìn)行的設(shè)計(jì)可以增加到 22 kW，從而實(shí)現(xiàn)更快的充電速度。

表 1 顯示了 OBC 系統(tǒng)的不同額定功率以及 EV 將電池充電 10% 到 90% 的速度。該續(xù)航里程的計(jì)算假設(shè)效率為 3 英里/千瓦時(shí)。大多數(shù)電動(dòng)汽車制造商建議用戶在日常駕駛中將電池電量保持在 80% 至 90% 以下，以減少電池退化，并且只有在長(zhǎng)途旅行中才能充電至 100%。

根據(jù)表 1，在車輛中安裝大功率車載充電器具有顯著優(yōu)勢(shì)。需要注意的是，OBC 的額定功率是電池可以從交流電源充電的最大功率，但實(shí)際輸出功率取決于使用的交流充電器，以及壁式充電器本身可以提供的電壓和最大電流。例如，如果充電器連接到 208 V 電壓電源，并且具有額定電流為 50 A 的斷路器，則該充電器可以提供 10.4 kW （208 V x 50 A） 的功率。這意味著需要 11 kW 的 OBC 才能充分利用可用的充電速度。

車載充電器的架構(gòu)

車載充電器包括幾個(gè)階段，用于將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。

首先是一相到三相功率因數(shù)校正 （PFC），它將來(lái)自電網(wǎng)的交流電壓轉(zhuǎn)換為 400 V 至 800 V 之間的中間直流電壓，具體取決于車輛電池的電壓（請(qǐng)注意，電池電壓一直在增加，以實(shí)現(xiàn)更高的效率、更快的充電時(shí)間和更輕的車輛內(nèi)布線）。雖然 PFC 架構(gòu)的范圍可以從 1 相到 3 相不等，但隨著功率水平的提高，三相變得越來(lái)越流行。

第二級(jí)是隔離式DC/DC級(jí)，將中間直流電壓轉(zhuǎn)換為目標(biāo)電壓。目標(biāo)電壓特定于正在充電的電池，可以在 200 V 和 800 V 之間變化，具體取決于 PHEV 還是 BEV 充電。DC/DC 級(jí)通常使用 LLC 和相移、全橋轉(zhuǎn)換器拓?fù)洹?/p>

圖 2 顯示了 OBC 框圖。

圖2.*OBC系統(tǒng)，帶有PFC級(jí)和隔離式DC/DC級(jí)。圖片由[MPS]提供

這些系統(tǒng)面臨的一些挑戰(zhàn)包括提高功率密度以最大限度地減小 OBC 的尺寸，并滿足高達(dá) 22 kW 的不斷上升的功率水平。隨著電池電壓從 400 V 增加到 800 V，業(yè)界更廣泛地采用碳化硅 （SiC） 代替?zhèn)鹘y(tǒng)的 IGBT，以提高效率和功率密度。

隨著電池電壓的上升，隔離這些系統(tǒng)以確保高總線電壓和高功率水平的安全性至關(guān)重要。MPS 提供多種可用于 OBC 的隔離解決方案，并提供高達(dá) 5 kVRMS 的隔離。

MPQ188xx 系列具有雙通道、汽車級(jí)隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器，具有多種封裝選項(xiàng)，可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 5 kVRMS 的隔離。MPQ18831是一款雙輸入半橋驅(qū)動(dòng)器，具有可調(diào)節(jié)的死區(qū)時(shí)間控制。MPQ18851是一個(gè)雙通道柵極驅(qū)動(dòng)器，允許兩個(gè)獨(dú)立的輸入。這些產(chǎn)品具有寬體 （WB） SOIC-16 封裝和 SOIC-14 WB 封裝，在輸出驅(qū)動(dòng)器之間提供 3.3 mm 爬電距離。建議將 SOIC-14 WB 封裝用于 400 V/800 V 系統(tǒng)，因?yàn)樗黾恿?a target="_blank">高壓側(cè)和低壓側(cè)輸出之間的爬電距離。這些雙通道隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器提供高達(dá) 4 A 的拉電流和 8 A 的灌電流，以實(shí)現(xiàn)更高的效率，并允許 SiC 或 IGBT FET 更快地接通和關(guān)斷。

使用LLC電源的優(yōu)點(diǎn)

該MPQ18913是一款汽車級(jí)LLC變壓器驅(qū)動(dòng)器，用于隔離式偏置電源。該器件可與 SiC MOSFET 配合使用，作為 SiC 柵極驅(qū)動(dòng)器的隔離偏置。反激式拓?fù)渫ǔＳ糜诟綦x式電源，以提供驅(qū)動(dòng) SiC FET 的隔離式 18 V/-4 V 輸出。圖3顯示了使用MPQ18913實(shí)現(xiàn)18 V/-4 V輸出的典型應(yīng)用電路。根據(jù)變壓器，可以配置輸出數(shù)量，并且可以通過(guò)匝數(shù)比改變輸出電壓（V OUT）。

圖3.*MPQ18913應(yīng)用電路。圖片由[MPS]提供

將MPQ18913用作LLC轉(zhuǎn)換器，諧振LLC諧振槽作為能量傳輸?shù)拇呕姼校郊?a target="_blank">電容器和電感器使諧振槽在一定頻率下諧振，實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，確保高效的功率轉(zhuǎn)換（見(jiàn)圖4）。與反激式拓?fù)湎啾龋儔浩鞯穆└锌捎米髦C振電感器，消除了漏感的電壓尖峰，提高了效率。

這種軟開(kāi)關(guān)拓?fù)湓诳紤]電磁干擾時(shí)也有所幫助，因?yàn)闆](méi)有過(guò)沖或振鈴，這在硬開(kāi)關(guān)拓?fù)洌ㄈ绶醇な剑┲泻艹Ｒ?jiàn)。

微控制器和兩個(gè)外部 FET，這可能導(dǎo)致更大的解決方案尺寸和設(shè)計(jì)復(fù)雜性。

該MPQ18913將半橋驅(qū)動(dòng)器與控制器和 FET 集成在一個(gè) 2 mm x 2.5 mm 的微型封裝中（圖 5）。這降低了解決方案的總成本、必須采購(gòu)的組件數(shù)量以及制造復(fù)雜性。該MPQ18913還集成了多種功能，例如過(guò)流保護(hù) （OCP）、過(guò)溫保護(hù) （OTP） 和軟啟動(dòng)。與分立式半橋柵極驅(qū)動(dòng)器相比，該MPQ18913明顯更小，復(fù)雜程度更低（見(jiàn)圖5）。

* 圖5. LLC柵極驅(qū)動(dòng)器偏置電源（左）與分立式半橋柵極驅(qū)動(dòng)器（右）的比較。圖片由[MPS]提供*

LLC 隔離式偏置電源與反激式

柵極驅(qū)動(dòng)器偏置電源的另一種常見(jiàn)拓?fù)涫浅跫?jí)側(cè)調(diào)節(jié) （PSR） 反激式拓?fù)?。LLC諧振拓?fù)涞囊粋€(gè)優(yōu)點(diǎn)是其減小了解決方案尺寸。這是由于開(kāi)關(guān)頻率 （fSW） 最高可達(dá) 5 MHz;同時(shí)，反激式拓?fù)涞膄SW低于400 kHz。這導(dǎo)致整體解決方案尺寸可以提供相似的功率水平，同時(shí)小 40%。

* 圖6. LLC 拓?fù)渑c反激式總解決方案尺寸的比較。圖片由MPS提供*

表 2 展示了該MPQ18913與標(biāo)準(zhǔn)反激式拓?fù)湎啾鹊膬?yōu)勢(shì)。

高頻LLC電源的要點(diǎn)

高頻LLC電源可能比低頻轉(zhuǎn)換器更難實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化。該MPQ18913通過(guò)自動(dòng)諧振頻率檢測(cè)、[集成 FET] 和集成控制器等功能簡(jiǎn)化了 LLC 電源設(shè)計(jì)。此外，LLC諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)減小了解決方案尺寸，提高了高功率車載充電器設(shè)計(jì)的功率密度。

隨著電動(dòng)汽車變得越來(lái)越普遍，汽車級(jí)電源管理解決方案和 LLC 電源將更頻繁地用于各種電動(dòng)汽車和電力電子應(yīng)用（如 OBC、[牽引逆變器]和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器）中的 SiC FET 偏置。[MPS 電氣化]頁(yè)面提供有關(guān)車載充電器、牽引逆變器和直流快速充電站的更多信息。

審核編輯 黃宇