電動、混動汽車可通過直流充電樁或普通的交流電源插座對其高壓電池子系統進行充電，車載充電器(OBC)是交流充電的核心系統。安森美半導體作為汽車功能電子化的領袖之一，為電動汽車 OBC 和直流充電樁提供碳化硅(SiC) MOSFET、超級結 MOSFET、IGBT 和汽車功率模塊(APM)等廣泛的產品陣容乃至完整的系統方案，以專知和經驗支持設計人員優化性能，加快開發周期。本文將主要介紹針對主流功率等級的高能效 OBC 方案。
典型的 OBC 系統架構和功率等級
1 個典型的 OBC 由多個級聯級組成，包括功率因數校正(PFC)、DC-DC 轉換器、次級整流、輔助電源、控制及驅動電路。
圖 1：典型的 OBC 系統架構
OBC 具有多種功率等級，功率等級越高，充電時間就越短。車廠必須根據整車要求定義適當的 OBC 功率等級。這些 OBC 需要大功率的交流電源，根據 OBC 的設計，由單相或三相電源供電。最流行的 OBC 功率等級是 3.3kW、6.6kW、11kW 和 22kW；每一個對應于不同的常見交流功率等級，如表 1 所示。安森美半導體可提供單相 3.3 kW、6.6 kW 和三相 11 kW OBC 方案。
三相 11 kW 車載充電器平臺 SEC-3PH-11-OBC-EVB
SEC-3PH-11-OBC-EVB 是安森美半導體新推出的三相 11 kW PFC-LLC OBC 平臺，采用符合 AEC-Q101 的 SiC 功率器件和驅動器，包括 1200 V、80mΩ NVHL080N120SC1 高性能 SiC MOSFET、6 A SiC MOSFET 門極驅動器 NCV51705 和 650 V、30 A SiC 二極管 FFSB3065B-F085，系統能效超過 95%。該套件采用模塊化方法，配備用戶友好的圖形用戶接口(GUI)，從而簡化和加快評估。LLC 系統由嵌入式軟件以電壓或電流控制模式驅動。該平臺展示 SiC 器件用于 OBC 可提供的高能效、高功率密度、小占位優勢，也可作為開發 3 相 PFC-LLC 拓撲系統的學習環境。該套件的關鍵參數為：輸入電壓 195 至 265 Vac，直流總線電壓最大值 735 Vdc，輸出電壓 200 至 450 Vdc，輸出電流 0 至 40 A，最高頻率 fs 400 kHz。
圖 2：安森美半導體的三相 11 kW OBC 套件
6.6 kW OBC 參考設計
該 6.6 kW OBC 參考設計采用三通道交錯式 PFC-LLC 以獲得高能效和高功率密度，并減少電流紋波，總線電壓可根據輸出電壓調節以優化能效。輸入電壓 90 至 264 Vac，輸出電流 0 至 16 A，典型能效 94%。關鍵器件包括超級結 MOSFET NVHL040N65S3F、NTPF082N65S3F，650 V、30 A SiC 二極管 FFSP3065A、PFC 控制器 FAN9673、LLC 控制器 FAN7688 等。
高能效的 IGBT 應對電動汽車車載充電的重要趨勢：雙向充電
在電動汽車電池和建筑物或電網之間進行雙向充電(V2X)將成為電動汽車車載充電的重要趨勢。雙向充電應考慮充放電能效，以確保轉換時不浪費能量，需要圖騰柱無橋 PFC，此時，反向恢復性能至關重要。集成外部 SiC 二極管的 IGBT 比 MOSFET 方案提供更高能效，因為沒有相關的正向或反向恢復損耗。如圖 3 是雙向充電的電路圖，對于 K3 和 K4，需要快速開關、低飽和壓降 Vcesat、低正向電壓 Vf 的器件。安森美半導體提供寬廣的符合 AEC 車規的 IGBT 系列，包括 650 V/750 V/ 950 V 第 4 代溝槽場截止 IGBT 和 1200 V 超高速溝槽場截止 IGBT，具備更低的損耗和更高的功率密度，以及集成 SiC 二極管的混合 IGBT 方案 AFGHL50T65SQDC。
圖 3：雙向充電電路圖
SiC 方案降低損耗
SiC 比硅方案降低開關損耗和導通損耗，提供新的性能水平。安森美半導體投入寬禁帶的開發近 10 年，是少數同時具備硅、SiC 和氮化鎵(GaN)技術的供應商，針對車載充電應用，提供汽車級 650 V SiC 二極管(涵蓋 6 A 到 50 A)、1200 V SiC 二極管(涵蓋 10 A 到 40 A)、1200 V SiC MOSFET (涵蓋 20 到 80mΩ)。這些 SiC 二極管最高結溫 175℃，具有高浪涌電流能力，正溫系數，易于并聯，無反向恢復損耗，符合 AEC-Q101 和生產件批準程序(PPAP)。這些 SiC MOSFET 最高結溫 175℃，提供高速開關和低電容，100%經無鉗位感性負載(UIL)測試，符合 AEC-Q101 和生產件批準程序(PPAP)。
超級結 MOSFET：比平面硅方案性能更好，比 SiC 方案更具成本優勢
安森美半導體具備 10 年汽車超級結 MOSFET 經驗，最新的第三代超級結 MOSFET 提供領先行業的能效和性能，現有的超級結 MOSFET 分立器件可提供 KGD 裸芯，并于 2018 年推出 APM 模塊。
超級結 MOSFET 有快速版本(FAST Version)、易驅動版本(Easy Drive Version)和快恢復版本(FRFET Version)。快速版本主要針對工業級應用。易驅動版本由于內置門極電阻 Rg 和優化電容，降低電壓尖峰和電磁干擾(EMI)。快恢復版本具有同類最佳的體二極管。
APM 模塊
APM 模塊可用于 OBC 的 PFC、LLC 轉換、整流等各個功率級，減少器件數，縮減尺寸和重量，提高功率密度，并降低總系統成本。如安森美半導體 2018 年推出的 APM16，高度集成的緊湊設計，具備集成所有硅和 SiC 技術、全橋或半橋拓撲的靈活性，熱阻抗低，符合 AQG324、IEC60664-1、IEC60950-1 等標準。
門極驅動
安森美半導體提供大驅動電流的驅動器提升系統能效，隔離技術安全、可靠、經認證，不產生 EMI 也不受系統產生的 EMI 影響，強固的共模瞬態抑制可抵抗高壓和大功率開關應用中出現的系統電壓瞬變。如 16 引腳隔離門極驅動器 NCV57000 大電流單通道 IGBT 驅動器，內置伽伐尼安全隔離設計，在要求高可靠性的電源應用中提供高能效工作，具有米勒平臺電壓下的大電流，伽伐尼隔離額定值大于 5 kVrms，滿足 UL 1577 的要求，工作電壓高于 1200 V，其它特性包括軟關斷以抑制尖峰電壓、可編程延遲去飽和（DESAT）保護，傳輸延遲典型值 66 ns、短路時 IGBT 門極鉗位等。
總結
車載充電市場隨著電動汽車電動動力總成需求的增長而增長。安森美半導體除了提供廣泛的超級結 MOSFET、IGBT、門極驅動，還針對 V2X 等趨勢和功率等級及占位面積等挑戰推出集成 SiC 的混合 IGBT、SiC MOSFET、APM 模塊，應用于車載充電的 PFC、DC-DC、整流、輔助電源、驅動等各個功率級，提高能效、性能、功率密度，減小損耗和占位空間，同時積極擴展現有產品陣容，推出用于 3.3kW、6.6kW、11kW 等主流功率等級的 OBC 開發套件，幫助加快設計和評估，其最新推出的三相 11 kW 車載充電器平臺 SEC-3PH-11-OBC-EVB 采用 SiC 技術，能效水平超過 95%，功率密度高，可執行的數字控制和可用的 GUI 確保無憂的啟動和用戶友好的體驗，還可作為開發 3 相 PFC-LLC 拓撲系統的學習環境。