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作者：安森美公司 換電與充電并存 在電動(dòng)車(chē)發(fā)展的過(guò)程當中，充電和換電是兩個(gè)同時(shí)存在的方案。車(chē)載充電OBC可以通過(guò)兩相或三相電給汽車(chē)充電，但其無(wú)法滿(mǎn)足快充的需求�，F在充電樁發(fā)展迅速，已經(jīng)有600kW的超充出現，充電速度越來(lái)越逼近換電速度，但對電網(wǎng)壓力很大，還需要時(shí)間普及。換電則采取另外的方式，古代加急文書(shū)傳遞時(shí)，士兵在驛站更換體力充沛的馬匹繼續前行就是這種理念。動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車(chē)當中最昂貴的部件，其可靠性至關(guān)重要，部分車(chē)主不太能接受隨意更換動(dòng)力電池的方式。而接受換電方式的用戶(hù)則可以提前享受到接近油車(chē)加油時(shí)間的使用感受。相信兩個(gè)模式還會(huì )在一段時(shí)間內同時(shí)存在，直到極速充電得到普及。關(guān)于充電和換電的優(yōu)缺點(diǎn)，一直是網(wǎng)上的爭論熱點(diǎn)。今天來(lái)談一談?chuàng )Q電站中充電電路設計，以及安森美(onsemi)碳化硅模塊給電路設計帶來(lái)的優(yōu)勢。 充電站電路結構 1. PFC 充電站中的充電電路部分功能與功率范圍和直流充電樁類(lèi)似，作用是用電網(wǎng)交流電源給汽車(chē)電池充電，功率也同樣是超過(guò)OBC功率的大功率快速充電，通常大于50kW。其對接電網(wǎng)部分是三相有源功率因數校正電路，以下以PFC簡(jiǎn)稱(chēng)。PFC 可保持輸入電流和電壓之間的相位關(guān)系，并將線(xiàn)路/電網(wǎng)電流中的總諧波失真 （THD） 降至最低�，F在新的設計越來(lái)越多的需要雙向工作的能力，實(shí)現能量在電池與電網(wǎng)間的雙向流動(dòng)。目前流行的三相PFC線(xiàn)路有三種：6開(kāi)關(guān)，T-NPC，I-NPC。 
圖1 6開(kāi)關(guān)三相PFC線(xiàn)路
圖2 T-NPC三相PFC線(xiàn)路
圖3 I-NPC三相PFC線(xiàn)路 6開(kāi)關(guān)電路簡(jiǎn)潔，直接支持雙向工作，但需要較高耐壓能力的功率器件。 T-NPC或I-NPC則可以選擇較低電壓的主動(dòng)開(kāi)關(guān)器件，但若要有雙向工作能力，則需要將圖中的部分二極管替換為主動(dòng)開(kāi)關(guān)器件MOS或IGBT。 在汽車(chē)相關(guān)的電路設計當中，可靠性至關(guān)重要。6開(kāi)關(guān)三相PFC電路，擁有最簡(jiǎn)潔的電路設計，如果是雙向的設計則更加明顯。在1200伏SIC MOSFET已經(jīng)大批量應用在汽車(chē)電路設計的情況下，這種架構無(wú)疑是非常有吸引力的，特別是雙向設計中。充電站中的電路設計需要更多考慮效率，因其整個(gè)生命周期的電路運行時(shí)間很長(cháng)，設計上以效率為優(yōu)先可以節約更多電能降低電費。因此碳化硅器件是優(yōu)先的選擇，尤其是對開(kāi)關(guān)性能要求比較高的PFC部分�？紤]到充電站的功率往往都比較大，單管并聯(lián)的方案面臨比較大的設計挑戰，其整體可靠性設計也相當困難。而模塊方案則簡(jiǎn)化了整體的設計，可靠性?xún)?yōu)勢巨大。
圖 4 安森美碳化硅模塊 安森美的碳化硅模塊，擁有比較全的內阻檔位選擇，3mΩ-40mΩ內阻范圍適合不同功率的設計選取，采用半橋架構方便應用在PFC和DC-DC電路中。其出色的熱管理給用戶(hù)帶來(lái)出色的整體散熱性能，散熱部分自帶隔離特性大大方便設計與制造。相對于分立器件方案，整機可靠性大大提高，制造難度大大降低。 NXH003P120和NXH004P120是采用新一代M3S技術(shù)的領(lǐng)先產(chǎn)品，其極低的內阻和寄生參數，非常適合PFC部分需要，同時(shí)具有優(yōu)秀的開(kāi)關(guān)性能和低導通內阻�？梢詭椭脩�(hù)實(shí)現非并聯(lián)設計的更高功率輸出。 2. LLC和CLLC PFC電路和電池之間是DC-DC部分，通常需要隔離。單向設計較多采用LLC諧振電源或移相全橋PSFB（Phase Shifted Full Bridge）。而雙向設計則更多采用 CLLC 或 DAB（dual active bridge）。今天以L(fǎng)LC和CLLC為例，談一談碳化硅模塊在充電站DC-DC電路中的應用優(yōu)勢。 LLC電路性能在各方面都表現很好，尤其是在最佳工作點(diǎn)附近時(shí)，可以實(shí)現非常理想的工作狀態(tài)，進(jìn)而得到很高的運行效率。LLC其本身就具有雙向工作能力（副邊采用主動(dòng)整流器件如SIC MOSFET），只是反向工作時(shí)無(wú)法實(shí)現LLC方式工作，只能工作在較差的工作點(diǎn)（LC串聯(lián)諧振模式），整體效率較低。CLLC（副邊增加L2,C2）則可以兼顧正向與反向工作點(diǎn)設計。
圖5 雙向設計的CLLC 電路結構 充電站一般要求兼容800V和400V電池，DC-DC次級可以分成兩個(gè)線(xiàn)圈來(lái)通過(guò)串聯(lián)或并聯(lián)來(lái)對應800V或400V電池。這樣可以大大降低設計的負載電壓范圍，實(shí)現在更靠近理想工作點(diǎn)來(lái)工作，進(jìn)而提升效率節約電費。 雖然LLC和CLLC是諧振電源，其對開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)性能要求沒(méi)有PFC級那樣嚴格，但SIC MOSFET依然有很大優(yōu)勢。首先，電池的電壓在充電過(guò)程中一直在變動(dòng)，LLC的原邊并非能一直在理想工作點(diǎn)附近工作，SIC MOSFET的開(kāi)關(guān)能力依然有優(yōu)勢。其次，整流一側的整流管要求好的開(kāi)關(guān)性能，在充電器是雙向工作的電路設計中，原邊和副邊都會(huì )在某一個(gè)模式下當作整流管使用，單向設計中，副邊始終是整流模式。SIC MOSFET的體二極管擁有很好的開(kāi)關(guān)性能，可以更好的勝任整流工作的需求，降低關(guān)斷時(shí)反向恢復電流帶來(lái)的影響。
圖6 M3S技術(shù)帶來(lái)的效率提升明顯 安森美的SIC MOSFET模塊，尤其是基于新一代M3S技術(shù)開(kāi)發(fā)的NXH003P120和NXH004P120提供出色的內阻和開(kāi)關(guān)特性，以及出色的體二極管開(kāi)關(guān)特性，非常適合充電站DC-DC部分特別是雙向設計的電路�？梢詭椭脩�(hù)實(shí)現單模塊非并聯(lián)設計高功率輸出能力。 安森美EliteSiC模塊 總之，在高功率充電電路設計中，碳化硅技術(shù)可以帶來(lái)高效率的目標，節能的同時(shí)具有高可靠性（更高的耐溫特性）。碳化硅模塊則更加為設計和制造帶來(lái)方便，進(jìn)一步提升產(chǎn)品的整體可靠性，在充電站這種高強度商業(yè)性應用場(chǎng)景，高效率和高可靠性更加重要。
圖7 采用1200V SIC MOSFET設計帶來(lái)的簡(jiǎn)化 安森美擁有不同類(lèi)型的碳化硅模塊產(chǎn)品，適應不同電路結構的設計，今天介紹的三相6開(kāi)關(guān)PFC和LLC、CLLC結構非常適合采用1200V 半橋SIC MOSFET模塊。其提供簡(jiǎn)單的電路結構，和天然的雙向工作能力，第三代M3S SIC MOSFET技術(shù)賦予其高效的性能。包括兩款(NXH003P120M3F2PTHG/NXH004P120M3F2PTHG)，采用標準F2封裝，具有出色的Rds(on)。M3S技術(shù)專(zhuān)為高速開(kāi)關(guān)應用而開(kāi)發(fā)，在開(kāi)關(guān)損耗、Coss和Eoss方面具有優(yōu)異的品質(zhì)。 另外安森美提供新的Elite Power仿真工具，通過(guò)創(chuàng )新的PLECS模型實(shí)現了技術(shù)突破，對于硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)應用（例如LLC和CLLC諧振、雙有源橋和移相全橋等）都適用。該工具能夠精確呈現電路在使用我們的EliteSiC產(chǎn)品系列時(shí)的工況。 下面是F2封裝的SIC MOSFET 模塊內部結構圖和外觀(guān)圖以及半橋類(lèi)1200V SIC模塊的選型表。這些產(chǎn)品可以涵蓋25KW到100KW的功率范圍，提供簡(jiǎn)潔的設計和高效率高可靠的快速充電整機性能。
圖8 SIC M3 MOS 模塊F2封裝半橋圖例
圖9 SICMOS半橋模塊選型 |
