设计高性能、高功率密度车载充电器

设计高性能、高功率密度车载充电器

电动汽车的普及推动了车载充电器（OBC）技术的快速发展。本文将探讨高性能、高功率密度OBC的设计要点，以及如何通过先进的电源管理解决方案提升电动汽车的充电效率和用户体验。

电动汽车市场现状与趋势

电动汽车（EV）在全球范围内的普及速度不断加快，各种激励措施的出台进一步提高了其性价比。2023年，电动汽车销量已突破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年增长超过30%。

随着碳中和成为全球重要目标，汽车制造商持续加大电动汽车的研发力度。目前，电动汽车的续航里程基准已从300英里提升至400英里甚至500英里。大多数插电式混合动力汽车配备的动力系统可仅靠电池行驶25至50英里，并可通过内燃机补充续航。

图 1：插入交流充电器的电动汽车

车载充电器的重要性

电动汽车的充电速度是用户关注的重点，而车载充电器（OBC）在家用充电场景中扮演着关键角色。OBC能够将家庭交流电网电压转换为直流电压，为电动汽车或插电式混合动力汽车的电池充电。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充电器提供1kW至3kW的功率，而L2充电器则提供3kW至22kW的功率。

传统OBC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，电池容量不断增大，许多电动汽车现在都配备了11kW的OBC。最新的设计甚至可以达到22kW，实现更快的充电速度。

表1展示了不同额定功率的OBC系统及其充电速度。计算续航里程时假设效率为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%。

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。

OBC系统架构与关键技术

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。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：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5kVRMS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5kVRMS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隔离偏置电源的优势

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fSW低于400kHz；而LLC谐振拓扑的开关频率（fSW）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。

总结

通常情况下，高频LLC电源设计要比低频转换器更难实现和优化；但MPQ18913等器件本身具有自动谐振频率检测、集成FET和集成控制器等功能，可以简化LLC电源的设计。此外，LLC谐振拓扑可缩小解决方案尺寸，从而提高大功率车载充电器设计的功率密度。

随着电动汽车的普及，汽车级电源管理解决方案和LLC电源将更多地用于在各种EV和电力电子应用（例如OBC、牵引逆变器和DC/DC变换器）中对SiC FET进行偏置。有关车载充电器、牵引逆变器和直流快速充电站的更多信息，请浏览MPS网站汽车电气化相关内容。