Vishay車載充電器解決方案

圖1：EMIPAK 2B車載充電器功率模組。Vishay

汽車產業的電氣化趨勢正在加快步伐。這不僅因廢氣排放值的限制，而且因補貼計劃而加速。這些車輛的核心部件是電池充電系統，也稱車載充電器(OBC)。有了這些系統，電池可通過標準家用連接器或商用充電站充電。

根據車輛類型，安裝的充電系統負載功率最高可達22kW。需要這種大功率充電來滿足可以接受的充電時間的要求。車載充電器的使用對電子元件供應商提出非常高的品質要求。Vishay憑藉這一領域的豐富經驗可以提供廣泛的合適元件組合。

由於功率密度高，22kW OBC(400VAC輸入，500VDC輸出)依賴於半導體功率模組解決方案。採用專門為充電器設計的模組，可提高系統效率，同時實現更高功率密度。事實證明，EMIPAK 2B(如圖1)封裝模組是這一領域極為強大且高效的解決方案。這一模組已廣泛用於各種應用和配置。功率模組內部結構特別適合汽車工業的應用要求。

因此，這一功率模組適用於每一代充電系統，在各種情況下都可以使用最新一代半導體器件。模組引腳採用壓合技術連接，便於極為輕鬆的快速組裝。模組直接連接車輛液冷系統，具有極高的功率密度並優化模組熱管理。

目前，電動汽車需要大功率OBC在短時間內為大容量電池組充電。22kW OBC採用340VAC至480VAC三相輸入電壓，輸出電壓為250V至500V，最大電流約為50A。輸入級使用T型Vienna整流器，滿足諧波和無功功率的要求，允許充電器在較寬的輸入電壓範圍內運行。輸出電壓由具有非同步整流功能的隔離式諧振轉換器控制。

圖2示例為虛擬零電位拓撲結構，直流電壓分成對稱的兩級。通過這種方法，主控DC/DC級可採用650 V矽MOSFET，而其他拓撲結構則需要昂貴的1200V碳化矽(SiC) 器件。

使用T型Vienna整流器還可以實現所需的功率因數校正(PFC)。不過，圖2中使用的升壓拓撲結構不能限制充電器啟動時產生的高突波電流。DC-Link需要較大的電容器組來穩定，支持PFC級和DC/DC轉換器開關操作。

根據要求，這種情況下通常使用耐壓鋁電解或鋁箔電容器。這種突波電流必須通過有源保護電路加以限制，以防半導體元件和電容器超載。這種情況下，可採用晶閘管與PTC正溫度熱敏電阻並聯作為保護電路。正溫度熱敏電阻的特性(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。當DC-Link穩定在所需的電壓值時，兩個閘流體導通，將所需充電功率通過PTC限流器。

二極體和MOSFET組成的特殊Vienna拓撲結構實現三相電流主動整流。這個電路可校正功率因數，防止容性負載無功功率損耗。此外，穩壓整流器可減少輻射到網路中的雜訊，從而簡化輸入濾波器的設計。

充電系統的核心是隔離式DC/DC轉換器，用來建立高壓電池的充電電壓。如圖3的示例中，Vienna整流器使用兩個諧振轉換器，分別用在正負DC-Link和虛擬零電位電路中。它們在輸出端並聯，以獲得電池的充電功率。兩個諧振變壓器由MSOFET H橋驅動，開關頻率為150kHz至250kHz。

這種拓撲結構面臨的挑戰是針對所有工作點優化兩個諧振變壓器電路，最大限度減小輸入輸出電壓受到的干擾。與變壓器一樣，諧振電容是這個電路的核心元件之一。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二極體橋式整流，利用電容加以穩定。然後，輸出端直流電壓通過車載電源和電池管理系統為車輛電池充電，進行下一次行駛。

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功率模組中。模組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。被動元件集成到功率模組中可進一步優化設計。使用功率模組，有助於進一步提高充電系統的效率和功率密度，減少電動汽車充電時間。關於Vishay車載充電器產品詳細，請至Vishay產品網頁查詢。