设计高性能、高功率密度车载充电器

George Chen

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简介

电动汽车 (EV) 日益普及，全球性和国家级的各种激励措施层出不穷，更是提高了其性价比（见图 1）。2023 年，电动汽车销量已超过 1300 万辆，其中，纯电动汽车 (BEV) 和插电式混合动力汽车 (PHEV) 的销量较 2022 年增长了 30% 以上。

随着碳中和成为全球宏伟目标，汽车制造商也继续加大电动汽车的研发力度。电动汽车300 英里的续航里程基准不断被超越，达到 400 英里、甚至500 英里。与此同时，大多数插电式混合动力汽车提供的动力系统仅靠电池即可行驶 25 至 50 英里，而且还可以用内燃机作为电池的补充。

图 1：插入交流充电器的电动汽车

车载充电器的重要性

电动汽车最受关注的一个方面就是汽车的充电速度，而影响电动汽车在家充电的一个系统则是车载充电器 (OBC)。OBC 可以将用户家中的交流电网电压转换为可以为 EV 或 PHEV 电池充电的直流电压。这些电池通常使用 L1 或 L2 交流充电器充电，这些充电器位于住宅，或工作场所。L1 充电器可提供 1kW 至 3kW 的功率，L2 充电器则可提供 3kW 至 22kW 的功率。

传统车载充电器能够为多数插电式混合动力汽车提供 3.3kW（甚至 6.6kW）的功率。然而，为了应对续航里程焦虑，电池容量越做越大，很多电动汽车现在都配备了 11kW的OBC。目前有一些新的设计可以达到 22 kW，从而实现更快的充电速度。

表 1 显示了 OBC 系统的不同额定功率，以及电动汽车从 10% 到 90% 的电池充电速度。计算续航里程时假定效率为 3 miles/kWh。大多数电动汽车制造商建议用户在日常驾驶时将电池电量保持在 80% 至 90% 以下，以延缓电池老化，只有在长途旅行时才充电至 100%。

表1: OBC额定功率比较

OBC 额定功率	每小时增加里程（英里/公里）	将 BEV 的 75kWh 电池从 10% 充电到 90% 所需的时间	将 PHEV 的 18kWh 电池从 0% 充电到 100% 的时间
3.3kW	10/14	18 小时	5.5 小时
6.6kW	20/32	9 小时	2.7 小时
11kW	33/53	5.5 小时	1.6 小时
22kW	66/106	2.7 小时	<1 小时

依据表 1可知，在车辆中配备大功率车载充电器是具有明显优势的。需要注意的是，OBC 的额定功率是电池可以通过交流电源充电的最大电量，实际输出功率取决于所使用的交流充电器以及壁式充电器的自身供电电压和最大电流。例如，如果充电器连接到 208V 电源并具有额定电流为 50A 的断路器，则该充电器能够提供 10.4kW (208V x 50A) 的功率。这意味着需要 11kW OBC 才能充分利用现有的充电速度。

车载充电器通过多个功率级将交流电转换为直流电。

第一级为单相至三相功率因数校正 (PFC) 级，它将来自电网的交流电压转换为 400V 到 800V 之间的中间直流电压，具体取决于汽车电池电压（注意，电池电压正不断增加以实现更高效率、更快充电时间和更轻的车内布线）。尽管 PFC 架构可以实现从单相至三相功率，但随着功率水平的提高，三相已变得越来越流行。

第二级为隔离式 DC/DC 级，将中间直流电压转换为目标电压。目标电压取决于正在充电的电池，可能在 200V 到 800V 之间变化，具体取决于正在充电的是 PHEV 还是 BEV。DC/DC 级通常采用 LLC 和相移全桥变换器拓扑结构。

图 2 所示为OBC的功能框图。

图 2：具有 PFC 级和隔离式 DC/DC 级的 OBC 系统

OBC 系统面临的挑战包括如何提高功率密度以最大限度地减小 OBC 尺寸，从而满足不断提高的功率水平要求（高达 22kW）。随着电池电压从 400V 增加到 800V，业界已广泛采用碳化硅 (SiC)来代替传统 IGBT，以提高效率和功率密度。

随着电池电压的持续攀升，在这些系统中采用隔离技术以确保高总线电压和高功率水平的安全性显得尤为重要。MPS 提供了多种 OBC 隔离解决方案，可以实现高达 5kV_RMS的隔离。

MPQ188xx 系列产品为双通道汽车级隔离式栅极驱动器，它提供多种不同的封装选项，可实现高达 5kV_RMS 的隔离能力。 MPQ18831 是一款具有可调死区时间控制的双输入半桥驱动器； MPQ18851 则是一款双通道栅极驱动器，支持两个独立的输入。这些产品同时提供宽体 (WB) SOIC-16 封装和 SOIC-14 WB 封装，输出驱动器之间的爬电距离为 3.3mm。SOIC-14 WB 封装建议用于 400V/800V 系统，因为它会增加高压侧和低压侧输出之间的爬电距离。这些双通道隔离式栅极驱动器可提供高达 4A 的拉电流和 8A 灌电流，能够实现更高的效率和更快的SiC / IGBT FET导通与关断速度。

LLC电源具备的优势

MPQ18913 是一款用于隔离偏置电源的汽车级 LLC 变压器驱动器。该器件可与 SiC MOSFET 配合使用，作为 SiC 栅极驱动器的隔离偏置。反激式拓扑常被用于隔离式电源，以提供可驱动 SiC FET 的隔离式 18V/-4V 输出。图 3 显示了采用MPQ18913 实现 18V/-4V 输出的典型应用电路。其输出数量可以根据变压器进行配置，输出电压 (VOUT) 则可通过匝数比进行更改。

图3: MPQ18913应用电路

MPQ18913 可用作 LLC 转换器，对隔离式栅极驱动电源来说，这是最高效的拓扑结构（见图 4）。这种转换器采用LLC 谐振腔，它具有磁化电感用于能量传输，还具有附加电容和电感以使谐振腔在特定频率下谐振。转换器利用这种谐振来实现软开关并确保高效率的功率转换。 LLC 转换器的主要优势是变压器产生的漏感可用作谐振腔中的谐振电感。相比反激式拓扑，这消除了漏感引起的电压尖峰，而且还提高了效率。另外，由于不存在反激式等硬开关拓扑中常见的过冲或振铃，软开关拓扑还有助于改善电磁干扰。

图4: LLC拓扑

LLC 隔离偏置电源与分立半桥驱动器的比较

以 MPQ18913 为例，与半桥驱动器相比，LLC 谐振拓扑具有显著的优势。半桥驱动器需要一个微控制器以及两个外部 FET，这可能导致解决方案尺寸更大且设计更复杂。

以MPQ18913 为例，该器件将半桥驱动器与控制器和 FET 集成在一个超小尺寸的2mmx2.5mm 封装中（图 5）。这不仅降低了总解决方案成本，还减少了BOM组件数量并降低了制造复杂性。MPQ18913 还集成了多种保护功能，例如过流保护 (OCP)、过温保护 (OTP) 和软启动。与分立半桥栅极驱动器相比，MPQ18913 明显尺寸更小且复杂度更低（见图 5）。

图 5：LLC 栅极驱动器偏置电源（左）与分立半桥栅极驱动器（右）的比较

LLC隔离偏置电源与反激式拓扑的比较

原边调节 (PSR) 反激式拓扑是用于栅极驱动器偏置电源的另一种常见拓扑。反激式拓扑的 f_SW 低于400kHz；而LLC 谐振拓扑的开关频率(f_SW) 可高达 5MHz，因此可减小解决方案尺寸。LLC拓扑能够在提供相似功率水平的条件下，将总体解决方案尺寸缩小 40%。

图 6：LLC 拓扑与反激式拓扑的整体解决方案尺寸比较

表 3 展示了相比标准反激式拓扑，采用MPQ18913所具有的优势。

表 3：LCC 谐振拓扑与反激式拓扑的比较

参数	LLC 谐振拓扑	PSR 反激式拓扑	LLC 谐振拓扑的优势
开关频率 (f_SW)	高（高达 5MHz）	低（<400kHz）	更高频率可实现更小的解决方案尺寸
变压器尺寸	13µH (11毫米x6毫米)	30µH (10毫米x10毫米)
漏感	利用漏感作为谐振腔的组成部分	漏感会降低性能	在 LLC 中，漏感可提高效率并避免电压尖峰
隔离电压	高（高达 5kV）	低（1.5kV）	LLC 可实现更高隔离电压从而提高安全性
隔离电容	低（1pF 至 6pF）	高（高达 25pF）	解决方案尺寸减少达 40%，组件数量减少 20%
封装尺寸	2mmx2.5mm	4mmx4mm
二极管（包括齐纳二极管）	3	6
解决方案尺寸	109mm²	180mm²
BOM组件	21个组件	26个组件