如何同时解决充电时间和性能问题

自电动汽车(EV)在汽车市场站稳脚跟以来，电动汽车制造商一直在追求更高功率的传动系统、更大的电池容量和更短的充电时间。为满足客户需求和延长行驶里程，电动汽车制造商不断增加车辆的电池容量。然而，电池越大，意味着充电的时间就越长。

最

常见的充电方法是在家充一整夜或白天到工作场所充电。这两种情况对电动汽车的功率水平提出了不同的要求。使用家中的住宅电源插座可能无法在一整夜后就为电动汽车充满电。工作场所提供的可能是中等功率的交流充电桩，如果汽车配备的是较低功率的车载充电器 (OBC)，那么充电桩使用时间可能会成为一个问题。加大 OBC 功率会让充电时间更合理，但这也增加了系统复杂性和设计难度。虽然高功率直流充电桩可以将电池快充到 80% 的电量，但这还远未普及。

为同时解决充电时间和性能问题，许多电动汽车平台正从目前的 400V 电池组迁移到 800V 电池组。当车辆处于行驶模式时，可以利用较高的可用电压在保

‍

match

‍

持功率水平不变的情况下增加电机功率输出或提高系统效率。在充电模式下，较高的电池电压会降低电池充电所需的电流，并且可以缩短充电时间。影响 OBC 设计的两个关键因素是电压和开关频率。通过增加电压和开关频率，可以显著提高OBC 容量。系统架构必须考虑更高的电压，1200V 器件之所以受欢迎，正是因为其拥有更高的阻断电压能力。

除了大力发展 800V 主电池组外，提高 OBC 的功率也是当前的一大趋势。过去，6.6kW 功率的充电桩很常见。如今，很多设计都是 11kW（分相电源）和 22kW（三相电源）。虽然这种功率水平往往在家中无法实现，但美国目前拥有超过126,000 个这种功率水平的交流充电桩。OBC 的功率越高，在上班期间或许多公共场所充电就越快，从而无需在家中充满电。随着 OBC 功率水平的提高，碳化硅 (SiC) MOSFET 的优势也进一步凸显。

事实证明，在更高开关频率的应用中，基于SiC 的组件相比 IGBT 组件更具优势。SiC 技术还为 800V 电池的开发提供了设计优势。它可以缩小 OBC 系统的尺寸并提高“从发电到驱动”的整体效率。

继成功推出第一代

1200 V EliteSiC M1 MOSFET 后，安森美最近发布了第二代 1200 V EliteSiC M3 MOSFET，着重优化了开关性能。M3S产品包括 13/22/30/40/70 mΩ，适用于 TO247-4L 和 D2PAK−7L 的分立式封装。NVH4L022N120M3S 是符合车规要求的 MOSFET，在 1200 V 时的导通电阻 RDS(ON) 最低为 22 mΩ。

安森美团队已经对 M3S 相较于 M1 的关键特性优势进行了广泛的测试。有关测评设置的更多详细信息，请参阅该应用手册。M3S (NTH4L022N120M3S) 需要的总栅极电荷 QG(TOT) 相比 M1 (NTH4L020N120SC1) 更少，这大大降低了栅极驱动器的灌电流和拉电流（如图 1 所示）。在默认 VGS(OP) = +18V 的情况下，M3S 的电荷为 135 nC，与之前的M1 相比，RDS(ON)*QG(TOT) 中的 FOM（品质因数）减小了 44%，说明在导通电阻 RDS(ON) 器件相同的情况下，只需要 56% 的开关栅极电荷。

与 M1 相比，M3S 在其寄生电容 COSS 中存储的能量 EOSS 更少，因此在更轻的负载下具有更高的效率（图 2）。由于 EOSS 取决于漏源电压，而不是电流，因此它是轻载时效率的关键损耗。

‍‍

  图 1. 总栅极电荷                   图 2. EOSS（COSS 中存储的能量）  开关损耗是系统效率的关键参数。图 3. 显示了开关性能，其中在给定条件下 M3S 的开关性能大幅改善，EOFF 相比 M1 降低了 40%，EON 降低了 20-30%，总开关损耗降低了 34%。在高开关频率应用中，它将消除导通电阻 RDS（ON）温度系数较高的缺点。

图 3.电感开关损耗

提高开关频率有助于设计人员减小储能组件（如电感器、变压器和电容）的尺寸，从而缩小系统体积。更紧凑的尺寸和更高的功率密度使 OBC 系统的封装尺寸更小，这让工程师有更多机会为车辆其它地方分配更多重量。此外，在更高的电压下运行还可以减少整个车辆所需的电流，从而降低电源系统、电池和 OBC 之间的电缆成本。