設計高性能和高功率密度的車載充電器

電動汽車 （EV） 正變得越來越普遍，大量的全國和全球激勵措施正在使這些車輛對消費者來說更具成本效益。這導致 2023 年電動汽車銷量超過 1300 萬輛，與 2022 年銷量相比，純電動汽車 （BEV） 和插電式混合動力汽車 （PHEV） 的銷量增長了 30% 以上。

隨著碳中和成為全球主題，汽車制造商繼續加大對電動汽車的投入。雖然 300 英里的續航里程是電動汽車的基準，但較新的電動汽車的續航里程可達 400 至 500 英里。另一方面，大多數插電式混合動力車提供的動力總成可以僅靠電池行駛 25 到 50 英里，然后用內燃機補充電池。

圖 1.*車載充電器。圖片由 Adobe Stock 提供

車載充電器的重要性

擁有電動汽車的一個重要方面是汽車的充電速度——影響家庭電動汽車充電的一個系統是[車載充電器](（OBC）。OBC 將用戶家中的交流電網電壓轉換為可以為 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。

傳統上，許多插電式混合動力車的車載充電器支持 3.3 kW（甚至 6.6 kW）。然而，為了對抗里程焦慮，電池尺寸正在增加，因此如今許多電動汽車都擁有 11 kW OBC。新的、正在進行的設計可以增加到 22 kW，從而實現更快的充電速度。

表 1 顯示了 OBC 系統的不同額定功率以及 EV 將電池充電 10% 到 90% 的速度。該續航里程的計算假設效率為 3 英里/千瓦時。大多數電動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，并且只有在長途旅行中才能充電至 100%。

根據表 1，在車輛中安裝大功率車載充電器具有顯著優勢。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

車載充電器包括幾個階段，用于將交流電轉換為直流電。

首先是一相到三相功率因數校正 （PFC），它將來自電網的交流電壓轉換為 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（請注意，電池電壓一直在增加，以實現更高的效率、更快的充電時間和更輕的車輛內布線）。雖然 PFC 架構的范圍可以從 1 相到 3 相不等，但隨著功率水平的提高，三相變得越來越流行。

第二級是隔離式DC/DC級，將中間直流電壓轉換為目標電壓。目標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 級通常使用 LLC 和相移、全橋轉換器拓撲。

圖 2 顯示了 OBC 框圖。

圖2.*OBC系統，帶有PFC級和隔離式DC/DC級。圖片由[MPS]提供

這些系統面臨的一些挑戰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 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，業界更廣泛地采用碳化硅 （SiC） 代替傳統的 IGBT，以提高效率和功率密度。

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

MPQ188xx 系列具有雙通道、汽車級隔離式柵極驅動器，具有多種封裝選項，可實現高達 5 kVRMS 的隔離。MPQ18831是一款雙輸入半橋驅動器，具有可調節的死區時間控制。MPQ18851是一個雙通道柵極驅動器，允許兩個獨立的輸入。這些產品具有寬體 （WB） SOIC-16 封裝和 SOIC-14 WB 封裝，在輸出驅動器之間提供 3.3 mm 爬電距離。建議將 SOIC-14 WB 封裝用于 400 V/800 V 系統，因為它增加了高壓側和低壓側輸出之間的爬電距離。這些雙通道隔離式柵極驅動器提供高達 4 A 的拉電流和 8 A 的灌電流，以實現更高的效率，并允許 SiC 或 IGBT FET 更快地接通和關斷。

使用LLC電源的優點

該MPQ18913是一款汽車級LLC變壓器驅動器，用于隔離式偏置電源。該器件可與 SiC MOSFET 配合使用，作為 SiC 柵極驅動器的隔離偏置。反激式拓撲通常用于隔離式電源，以提供驅動 SiC FET 的隔離式 18 V/-4 V 輸出。圖3顯示了使用MPQ18913實現18 V/-4 V輸出的典型應用電路。根據變壓器，可以配置輸出數量，并且可以通過匝數比改變輸出電壓（V OUT）。

圖3.*MPQ18913應用電路。圖片由[MPS]提供

將MPQ18913用作LLC轉換器，諧振LLC諧振槽作為能量傳輸的磁化電感，附加電容器和電感器使諧振槽在一定頻率下諧振，實現軟開關，確保高效的功率轉換（見圖4）。與反激式拓撲相比，變壓器的漏感可用作諧振電感器，消除了漏感的電壓尖峰，提高了效率。

這種軟開關拓撲在考慮電磁干擾時也有所幫助，因為沒有過沖或振鈴，這在硬開關拓撲（如反激式）中很常見。

***圖4. *LLC 拓撲。圖片由[MPS]提供

LLC隔離式偏置電源與分立式半橋驅動器

在MPQ18913中，與半橋驅動器相比，[LLC諧振拓撲]具有幾個顯著優勢。半橋驅動器需要一個微控制器和兩個外部 FET，這可能導致更大的解決方案尺寸和設計復雜性。

該MPQ18913將半橋驅動器與控制器和 FET 集成在一個 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、必須采購的組件數量以及制造復雜性。該MPQ18913還集成了多種功能，例如過流保護 （OCP）、過溫保護 （OTP） 和軟啟動。與分立式半橋柵極驅動器相比，該MPQ18913明顯更小，復雜程度更低（見圖5）。

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

LLC 隔離式偏置電源與反激式

柵極驅動器偏置電源的另一種常見拓撲是初級側調節 （PSR） 反激式拓撲。LLC諧振拓撲的一個優點是其減小了解決方案尺寸。這是由于開關頻率 （fSW） 最高可達 5 MHz;同時，反激式拓撲的fSW低于400 kHz。這導致整體解決方案尺寸可以提供相似的功率水平，同時小 40%。

* 圖6. LLC 拓撲與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與標準反激式拓撲相比的優勢。

高頻LLC電源的要點

高頻LLC電源可能比低頻轉換器更難實現和優化。該MPQ18913通過自動諧振頻率檢測、[集成 FET] 和集成控制器等功能簡化了 LLC 電源設計。此外，LLC諧振拓撲結構減小了解決方案尺寸，提高了高功率車載充電器設計的功率密度。

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

審核編輯 黃宇