Evolving OBC Designs for Higher Power Tiers and Voltages

不断改进 OBC 设计，适应更高的功率等级和电压

消费者需求不断攀升，电动汽车 (EV) 必须延长续航里程，方可与传统的内燃机 (ICE) 汽车相媲美。解决这个问题主要有两种方法：在不显著增加电池尺寸或重量的情况下提升电池容量，或提高主驱逆变器等关键高功率器件的运行能效。

为应对电子元件导通损耗和开关损耗造成的巨大功率损耗，汽车制造商正在通过提高电池电压来增加车辆的续航里程。

图 1：生产中的电动汽车以及所需的复杂系统

由此，800 V 电池架构越来越普及，并可能最终取代目前的 400 V 技术。然而，电池容量越大，所需的充电时间就越长，这正是车主的另一个顾虑，意味着若在抵达目的地前需中途充电，将要等待很长时间。

因此，就像需要提高电池电压一样，汽车整车厂商也必须跟上电动汽车车载充电器 (OBC) 的发展步伐，而首先要考虑的是必须支持 800 V 电池架构和处理更高的电压。为此，现行的标准 650 V 额定芯片元件需过渡到额定电压最高达 1200 V 的芯片元件。此外，为加快电池充电速率，对更高额定功率 OBC 的需求也在日益增长。

消费者迫切需要更出色的性能

OBC 能够将交流电转换为直流电，因而可以让汽车利用电网等交流电源进行充电。充电站的输出峰值会明显限制充电速度，同样的，OBC 的峰值功率处理能力也是充电速度的一大影响因素。

在目前的充电基础设施中，充电桩分为三个等级：

1 级的最大功率为 3.6 kW 

2 级的功率为 3.6 kW 到大约 22 kW ，与 OBC 的最大容量相当

3 级提供直流电，无需使用 OBC，功率为 50 kW 到 350+ kW

尽管速度较快的 3 级直流充电站已投入使用，但其在全球范围内分布有限，因此 OBC 仍然不可或缺。此外，许多企业正尽可能提高现有 2 级充电基础设施的性能并促进更高电压电池技术的采用，市场对更高能效 OBC 的需求预计仍将持续增长。

表 1：OBC 的不同功率等级及其对 80 kWh 电池充电时间的影响

表 1 列举了常见的 OBC 功率等级及大致充电时间。为加快充电速度、满足消费者需求，行业已开始转向更强大的三相 OBC。然而，电动汽车的实际充电时间取决于多个因素。

首先我们需要明确一点，充电并不是一个线性过程。当电池接近满容量（通常超过 80%）时，充电速度会减慢，以保护电池健康。简单来说，电池电量越满，接受电能的速度就越慢。电动汽车通常不是满电状态，许多电动汽车制造商通常也不建议频繁待电量耗至 0% 再充满至 100%，而是只需充一部分（例如最高充到 80%），这样可显著缩短充电时间。此外，电气化趋势正逐渐延伸到公共汽车、货车、重型车辆和农业用车等各种车辆类型甚至是船舶，OBC 还将继续发展，目标是实现 22 kW 以上更高功率等级。

汽车整车厂商可以通过构建更强大的 OBC 来提高 2 级充电站的充电速度，但这需要利用经济高效且性能可靠的电子元件，来实现更高的电压（800 V，而非 400 V）和更高的功率等级。

更高性能 OBC 的关键设计考虑因素

对于更高性能的 OBC，除了额定功率和电池电压之外，还有许多因素需要考虑。其中包括散热管理、封装限制、器件成本、电磁兼容性 (EMC) 以及对双向充电的潜在需求。

谈到散热管理，很容易想到增加 OBC 的尺寸和重量。然而，这种简单的方案并不理想，因为电动汽车的空间有限，难以容纳过于庞大 OBC，而且重量增加也会导致缩短车辆的续航里程。

800 V 电池架构可以带来诸多益处，例如减少导通损耗、提高性能、加快充电和电力输送速度等，但也为设计师带来了许多复杂难题：

• 器件供应：寻找适合 800 V 安全运转的器件可能会很困难。

• 降额以确保可靠性：即使是合格的器件也可能需要降额，也就是以低于最大容量的功率运转，以确保长期可靠性。

• 安全问题：更高电压的系统需要强大的绝缘和安全功能。

• 测试和验证：验证高电压系统更为复杂，可能需要专门的设备和专业知识。

为此，需要用到击穿电压更高的元件，对于 MOSFET 而言尤其如此。事实证明，在需要更快 MOSFET 开关的更高电压应用（例如 OBC）中，改用高性能碳化硅 (SiC) 元件将大有裨益。开发 PCB 布局时，考虑电压等级也至关重要，因为可能需要相应地扩大元件间距和 PCB 走线之间的距离。同样，暴露于更高电压的其他器件（例如连接器、变压器、电容）也需要更高的额定值。

改进 OBC 设计，提升性能和功能

安森美 (onsemi) 是一家值得信赖的高功率汽车应用功率模块供应商，可以为向 800 V 电池系统过渡提供强大支持。安森美先进的 EliteSiC 1200 V MOSFET 和汽车功率模块 (APM) 能够实现更高的功率密度，在汽车设计领域一直深受认可。

图 2：EliteSiC 1200V MOSFET 采用 TO247-4L 封装，提供开尔文源极连接（第 3 根引线），可消除栅极驱动环路内共源极寄生电感的影响

APM32 功率模块系列集成安森美先进的 1200 V SiC 器件，针对 800 V 电池架构进行了优化，更适用于高电压和功率级 OBC。APM32 系列包括用于功率因数校正 (PFC) 级的三相桥模块，例如采用 1200 V 40 mΩ EliteSiC MOSFET（集成温度感测）的 NVXK2VR40WDT2。该模块专为 11 – 22 kW OBC 终端应用而设计。

相较于分立方案，APM32 模块技术具有多种优势，包括尺寸更小、散热设计更佳、杂散电感更低、内部键合电阻更低、电流能力更强、EMC 性能更好、可靠性更高等，从而有助于创建高性能双向 OBC（图 3）。这不仅能够增强车辆 OBC 的功能，还能让电动汽车充当移动的电池储能器。

图 3：采用 EliteSiC 1200V APM32 功率模块的高功率 (11 kW-22 kW) 双向 OBC 方案

图 3 的 OBC 功率级示例中包含升压型三相 PFC 和双向 CLLC 全桥转换器，用于提供必要的功率和电压处理及先进的双向充电功能。

在全球各地逐渐转向太阳能和风能等可持续能源之际，电网的电力供应有时可能供不应求。充满电的电动汽车能够作为重要的储能资源，用来支援电网的峰值需求，或者在建筑物主要电源受损的紧急情况下使用。利用安森美 APM32 等模块，OBC 可以实现电动汽车电池的双向能量传输。由此，电池存储的能量可以短暂地为房屋供电，之后还能随时充电。

可靠的设计和供应

与一些将封装技术外包的竞争对手不同，安森美的 APM 系列均在内部设计和制造，因而能够更好地掌控散热优化。此外，安森美为制造商提供了一系列封装和制造选项，包括裸片、分立元件或模块，从而确保有合适的方案支持任何先进的 OBC 设计。

结论

OBC 技术正蓬勃发展，不仅能帮助汽车制造商满足消费者对电动汽车的需求，还能有效应对 800 V 电池架构等新技术趋势。利用安森美系统方案（例如 APM32 功率模块），汽车设计人员可以简化流程并有效满足新需求，从而在大量减少设计工作的同时，确保更高的质量、可靠性和供应链一致性。

此外，安森美还提供广泛的技术支持、仿真及其他电源方案，其中包含 EliteSiC 1200 V M1 和 M3S MOSFET、EliteSiC 1200V D1 和 D3 二极管，以及电隔离栅极驱动器、CAN 收发器和可复位保险丝等配套器件，旨在助力实现全面、高性能的 OBC 设计。