2020-09-29

碳化硅器件在车载充电机OBC上的应用

编辑:Henry
校对:Tao
很多乘用电动车主已经习惯了这种操作:下班回到家,把车接上家用慢充充电桩。但很多电动车主不知道的是:为电动汽车充电的,其实不是充电桩,而是车上的车载充电机。家用的充电桩,只是提供了一个标准充电接口。电动汽车充电机,按照所在位置,划分为车载充电机和非车载充电机两类。车载充电机,以交流电源作为输入,输出为直流,直接给动力电池包充电,与地面的交流充电桩适配。交流充电桩,交流输入、交流输出,不能直接给动力电池充电,需要连接车载充电机,进行电力变换,才能实现充电。交流充电桩内部比较简单,基本功能就是将电网交流电引出到方便电动汽车充电的位置,并提供一个标准的充电接口,并可完成计费等额外功能,可以简单理解为“一个带电表的插座”。


交流充电桩(http://www.mengdashop.cn/goods-1530.html)


车载充电机输出电压(《车载充电机产业发展现状及趋势》 王佳)


交流充电桩输出电流(《车载充电机产业发展现状及趋势》 王佳)


车载充电机的输入端,以标准充电接口的形式固定在车体上,用于连接外部电源。车载充电机的输出端,直接连接动力电池包慢充电接口。中华人民共和国汽车行业标准《QCT 895-2011 电动汽车用传导式车载充电机》中规范了车载充电机的组成结构,主要分为:输入端口,控制单元,功率单元,低压辅助单元和输出端口。标准的输入接口采用工频单相输入220V电压,但如果功率需要,也可以启用两个备用pin口,可以实现380V输入。功率单元,一般包括输入整流,逆变电路和输出整流3个部分,将输入的工频交流电转化成适合动力电池系统能够接受的适当电压的直流电。通常对于整车厂来说,车载充电机的要求是成本低、尺寸小、重量轻、寿命长,同时可靠性和安全性都较高,目前主流的乘用车领域功率一般是3.3kw、6.6kw和11kW等,客车领域一般是40kW和80kW等,按冷却方式可分为水冷型和风冷型。


车载充电机结构示意图(《QCT 895-2011 电动汽车用传导式车载充电机》)


水冷型车载充电机(http://www.shinry.com/show_list.php?id=16)


风冷型车载充电机(http://www.shinry.com/show_list.php?id=16)


随着技术的进步和产品设计的升级,独立车载充电机的发展越来越受到集成化功率单元的挑战,在如特斯拉等新能源汽车制造商的新款产品中,OBC被同DCDC或BMS等整合在一起,形成“黑箱式”结构,这对产品功率密度、热管理性能等提出了更高的要求。


Tesla Model 3 的高压箱集成布置方案(http://www.evpartner.com/news/8/detail-44448.html)


比亚迪 高压三合一 方案(https://www.pcauto.com.cn/cxxj/1757/17579070.html)


为了满足车载充电机市场不断升级的实际需求,mg4355特开发多款不同规格和封装形式的碳化硅功率器件。


而作为车载产品,且承担的是充电这一功率变换部分,整车厂对于产品中元器件使用的要求,也相应提高。为了更好的满足这样的要求提升,车规级器件则成了首选。mg4355作为中国碳化硅(SiC)功率器件产业化的倡导者之一,国内首家第三代半导体材料碳化硅器件制造与应用解决方案提供商,在国内碳化硅功率器件制造商中率先完成了质量管理体系---汽车行业生产件与相关服务件的组织实施ISO9007的要求IATF16949和汽车级半导体分立器件应力测试AEC-Q101认证证书。分别从质量管理体系的专业性和产品质量的可靠性,这两个方面保证了为整车厂提供高标准的车用碳化硅功率器件。


mg4355IATF 16949


mg4355AEC-Q101


车载充电机一般为两级电路,前级为PFC(Power Factor Correction)级,即功率因数校正环节,实现电网交流电压变为直流电压,且保证输入交流电流与输入交流电压同相位,根据实际设计功率需求的不同,可采用多级Boost电路并联进行扩容;后级为DC/DC级,实现PFC级输出直流电压变为所需充电电压,实现恒流/恒压充电功能,并保证交流高压侧与直流高压侧的电气绝缘,同样地,根据实际设计功率需求的不同,可采用多级DC/DC电路并联进行扩容。另外,比较常见的DC/DC级电路拓扑有移相全桥和LLC两种。


● BOOSTPFC:


● VIENNA PFC:


● LLC:


● PSFB:


从上述内容可以看出,SiC二极管一般应用于车载充电机产品中,作为PFC二极管和DC-DC次级整流二极管使用。


◆ 前级PFC选择:
■单相一般采用BOOST结构,建议使用650V10A、12A、15A、16A、20A、30A、40A等规格,TO220、TO247、TO263等封装;
■三相一般采用VIENNA结构,建议使用1200V10A、15A、20A、30A、40A等规格,TO220、TO247等封装;
◆ 后级DCDC选择:
■LLC中,如果车载充电机最高输出电压小于<550V,建议使用650V10A、12A、15A、16A、20A、30A、40A等规格,TO220、TO247、TO263等封装;如果最高输出电压>550V,建议使用1200V?10A、15A、20A、30A、40A等规格,TO220、TO247等封装;
■在PSFB中,建议使用1200V10A、15A、20A、30A、40A等规格,TO220、TO247等封装;
后续针对双向OBC的应用,碳化硅MOSFET也是较好的选择。

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