Vishay車(chē)載充電器解決方案

汽車(chē)工業(yè)電氣化進(jìn)程步伐加快。尾氣減排以及各種補貼計劃推動(dòng)了這一趨勢的快速發(fā)展。這些車(chē)輛的核心部件是電池充電系統，也稱(chēng)車(chē)載充電器 (OBC)。有了這些系統，電池可通過(guò)標準家用連接器或商用充電樁充電。根據車(chē)輛類(lèi)型，安裝的充電系統負載功率最高可達22 kW。需要這種大功率充電來(lái)滿(mǎn)足可以接受的充電時(shí)間的要求。車(chē)載充電器的使用對電子元件供應商提出非常高的質(zhì)量要求。憑借這一領(lǐng)域積累的豐富經(jīng)驗，Vishay提供成套適用元件系列組合。

由于功率密度高，22 kW OBC (400 VAC輸入，500 VDC輸出) 依賴(lài)于半導體功率模塊解決方案。采用專(zhuān)門(mén)為充電器設計的模塊，可提高系統效率，同時(shí)實(shí)現更高功率密度。事實(shí)證明，EMIPAK 2B封裝模塊是這一領(lǐng)域極為強大且高效的解決方案。這一模塊已廣泛用于各種應用和配置。功率模塊內部結構特別適合汽車(chē)工業(yè)的應用要求。因此，這一功率模塊適用于每一代充電系統，在各種情況下都可以使用最新一代半導體器件。模塊引腳采用壓合技術(shù)連接，便于極為輕松的快速組裝。模塊直接連接車(chē)輛液冷系統，具有極高的功率密度并優(yōu)化模塊熱管理。

圖1 EMIPAK 2B車(chē)載充電器功率模塊

目前，電動(dòng)汽車(chē)需要大功率OBC在短時(shí)間內為大容量電池組充電。22 kW OBC采用340 VAC至480 VAC三相輸入電壓，輸出電壓為250 V至500 V，最大電流約為50 A。輸入級使用T型Vienna整流器，滿(mǎn)足諧波和無(wú)功功率的要求，同時(shí)加大充電器輸入電壓工作范圍。輸出電壓由具有異步整流功能的隔離式諧振變換器控制。

圖2 T型Vienna整流器電路圖

圖中示例為虛擬零電位拓撲結構，直流電壓分成對稱(chēng)的兩級。通過(guò)這種方法，主控DC/DC級可采用650 V硅MOSFET，而其他拓撲結構則需要昂貴的1200 V 碳化硅 (SiC) 器件。

使用T型Vienna整流器還可以實(shí)現所需功率因數校正 (PFC)。不過(guò)，圖中使用的升壓拓撲結構不能限制充電器啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的高浪涌電流。DC-Link通過(guò)較大的電容器組來(lái)穩定，支持PFC級和DC/DC轉換器開(kāi)關(guān)操作。根據要求，這種情況下通常使用耐壓鋁電解或鋁箔電容器。這種浪涌電流必須通過(guò)有源保護電路加以限制，以防半導體元件和電容器過(guò)載。這種情況下，可采用晶閘管與PTC熱敏電阻并聯(lián)作為保護電路。熱敏電阻的特性 (高溫下電阻急劇上升) 限制輸入電流。這樣可以確保充電系統安全啟動(dòng)。當DC-Link電壓穩定在所需電平時(shí)，兩個(gè)晶閘管導通，將所需充電功率通過(guò)PTC限流器。

二極管和MOSFET組成的特殊Vienna拓撲結構實(shí)現三相電流動(dòng)態(tài)整流。這個(gè)電路可校正功率因數，防止容性負載無(wú)功功率損耗。此外，穩壓整流器可減少輻射到網(wǎng)絡(luò )中的噪聲，從而簡(jiǎn)化輸入濾波器的設計。

圖3 含異步整流器的隔離式諧振變換器電路圖

充電系統的核心是隔離式DC/DC轉換器，用來(lái)建立高壓電池的充電電壓。我們的示例中，Vienna整流器使用兩個(gè)諧振變換器，分別用在正負DC-Link和虛擬零電位電路中。它們在輸出端并聯(lián)，以獲得電池的充電功率。兩個(gè)諧振變壓器由MSOFET H橋驅動(dòng)，開(kāi)關(guān)頻率為150 kHz至250 kHz。這種拓撲結構面臨的挑戰是針對所有工作點(diǎn)優(yōu)化兩個(gè)諧振變壓器電路，最大限度減小輸入輸出電壓受到的干擾。與變壓器一樣，諧振電容是這個(gè)電路的核心組件之一。除電壓和電流高度穩定外，電容的di/dt邊緣陡度也必須具有非常理想的參數。在輸出端，變壓器交流電壓通過(guò)二極管橋式整流，利用電容加以穩定。然后，輸出端直流電壓通過(guò)車(chē)載電源和電池管理系統為車(chē)輛電池充電，進(jìn)行下一次行駛。

電路細節使用的半導體器件能夠非常高效地、以節省空間的方式集成到Vishay功率模塊中。模塊內部設計高度重視如何減小各種干擾變量，例如電容或電感變量。被動(dòng)元件集成到功率模塊中可進(jìn)一步優(yōu)化設計。使用功率模塊，有助于進(jìn)一步提高充電系統的效率和功率密度，減少電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)間。