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安森美 (onsemi) M3S EliteSiC MOSFET 讓車載充電器升級到 800V 電池架構(gòu)

本文作者：Vladimir Halaj 點擊： 2023-06-27 10:11

前言：

作者：安森美產(chǎn)品推廣工程師Vladimir Halaj

自電動汽車 (EV) 在汽車市場站穩(wěn)腳跟以來，電動汽車制造商一直在追求更高功率的傳動系統(tǒng)、更大的電池容量和更短的充電時間。為滿足客戶需求和延長行駛里程，電動汽車制造商不斷增加車輛的電池容量。然而，電池越大，意味著充電的時間就越長。

最常見的充電方法是在家充一整夜或白天到工作場所充電。這兩種情況對電動汽車的功率水平提出了不同的要求。使用家中的住宅電源插座可能無法在一整夜后就為電動汽車充滿電。工作場所提供的可能是中等功率的交流充電樁，如果汽車配備的是較低功率的車載充電器 (OBC)，那么充電樁使用時間可能會成為一個問題。加大 OBC 功率會讓充電時間更合理，但這也增加了系統(tǒng)復(fù)雜性和設(shè)計難度。雖然高功率直流充電樁可以將電池快充到 80% 的電量，但這還遠未普及。

為同時解決充電時間和性能問題，許多電動汽車平臺正從目前的 400V 電池組遷移到 800V 電池組。當(dāng)車輛處于行駛模式時，可以利用較高的可用電壓在保持功率水平不變的情況下增加電機功率輸出或提高系統(tǒng)效率。在充電模式下，較高的電池電壓會降低電池充電所需的電流，并且可以縮短充電時間。影響 OBC 設(shè)計的兩個關(guān)鍵因素是電壓和開關(guān)頻率。通過增加電壓和開關(guān)頻率，可以顯著提高 OBC 容量。系統(tǒng)架構(gòu)必須考慮更高的電壓，1200V 器件之所以受歡迎，正是因為其擁有更高的阻斷電壓能力。

除了大力發(fā)展 800V 主電池組外，提高 OBC 的功率也是當(dāng)前的一大趨勢。過去，6.6kW 功率的充電樁很常見。如今，很多設(shè)計都是 11kW（分相電源）和 22kW（三相電源）。雖然這種功率水平往往在家中無法實現(xiàn)，但美國目前擁有超過 126,000 個這種功率水平的交流充電樁。OBC 的功率越高，在上班期間或許多公共場所充電就越快，從而無需在家中充滿電。隨著 OBC 功率水平的提高，碳化硅 (SiC) MOSFET 的優(yōu)勢也進一步凸顯。

事實證明，在更高開關(guān)頻率的應(yīng)用中，基于 SiC 的組件相比 IGBT 組件更具優(yōu)勢。SiC 技術(shù)還為 800V 電池的開發(fā)提供了設(shè)計優(yōu)勢。它可以縮小 OBC 系統(tǒng)的尺寸并提高“從發(fā)電到驅(qū)動”的整體效率。

繼成功推出第一代 1200 V EliteSiC M1 MOSFET 后，安森美最近發(fā)布了第二代 1200 V EliteSiC M3 MOSFET，著重優(yōu)化了開關(guān)性能。M3S 產(chǎn)品包括 13/22/30/40/70 mΩ，適用于 TO247-4L 和 D2PAK−7L 的分立式封裝。NVH4L022N120M3S 是符合車規(guī)要求的 MOSFET，在 1200 V 時的導(dǎo)通電阻 RDS(ON) 最低為 22 m?。

安森美團隊已經(jīng)對 M3S 相較于 M1 的關(guān)鍵特性優(yōu)勢進行了廣泛的測試。有關(guān)測評設(shè)置的更多詳細信息，請參閱該應(yīng)用手冊。M3S (NTH4L022N120M3S) 需要的總柵極電荷 QG(TOT) 相比 M1 (NTH4L020N120SC1) 更少，這大大降低了柵極驅(qū)動器的灌電流和拉電流（如圖 1 所示）。在默認 VGS(OP) = +18V 的情況下，M3S 的電荷為 135 nC，與之前的 M1 相比，RDS(ON)*QG(TOT) 中的 FOM（品質(zhì)因數(shù)）減小了 44%，說明在導(dǎo)通電阻 RDS(ON) 器件相同的情況下，只需要 56% 的開關(guān)柵極電荷。

與 M1 相比，M3S 在其寄生電容 COSS 中存儲的能量 EOSS 更少，因此在更輕的負載下具有更高的效率（圖 2）。由于 EOSS 取決于漏源電壓，而不是電流，因此它是輕載時效率的關(guān)鍵損耗。

圖 1. 總柵極電荷圖 2. EOSS（COSS 中存儲的能量）

開關(guān)損耗是系統(tǒng)效率的關(guān)鍵參數(shù)。圖 3. 顯示了開關(guān)性能，其中在給定條件下 M3S 的開關(guān)性能大幅改善，EOFF 相比 M1 降低了 40%，EON 降低了 20-30%，總開關(guān)損耗降低了 34%。在高開關(guān)頻率應(yīng)用中，它將消除導(dǎo)通電阻 RDS（ON）溫度系數(shù)較高的缺點。

圖 3. 電感開關(guān)損耗

提高開關(guān)頻率有助于設(shè)計人員減小儲能組件（如電感器、變壓器和電容）的尺寸，從而縮小系統(tǒng)體積。更緊湊的尺寸和更高的功率密度使 OBC 系統(tǒng)的封裝尺寸更小，這讓工程師有更多機會為車輛其它地方分配更多重量。此外，在更高的電壓下運行還可以減少整個車輛所需的電流，從而降低電源系統(tǒng)、電池和 OBC 之間的電纜成本。

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