Vishay車載充電器解決方案

汽車工業(yè)電氣化進程步伐加快。尾氣減排以及各種補貼計劃推動了這一趨勢的快速發(fā)展。這些車輛的核心部件是電池充電系統(tǒng)，也稱車載充電器 (OBC)。有了這些系統(tǒng)，電池可通過標準家用連接器或商用充電樁充電。根據車輛類型，安裝的充電系統(tǒng)負載功率最高可達22 kW。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質量要求。憑借這一領域積累的豐富經驗，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) 依賴于半導體功率模塊解決方案。采用專門為充電器設計的模塊，可提高系統(tǒng)效率，同時實現更高功率密度。事實證明，EMIPAK 2B封裝模塊是這一領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(tǒng)，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連接，便于極為輕松的快速組裝。模塊直接連接車輛液冷系統(tǒng)，具有極高的功率密度并優(yōu)化模塊熱管理。

圖1 EMIPAK 2B車載充電器功率模塊

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。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，滿足諧波和無功功率的要求，同時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，直流電壓分成對稱的兩級。通過這種方法，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整流器還可以實現所需功率因數校正 (PFC)。不過，圖中使用的升壓拓撲結構不能限制充電器啟動時產生的高浪涌電流。DC-Link通過較大的電容器組來穩(wěn)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。這種浪涌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過載。這種情況下，可采用晶閘管與PTC熱敏電阻并聯作為保護電路。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(tǒng)安全啟動。當DC-Link電壓穩(wěn)定在所需電平時，兩個晶閘管導通，將所需充電功率通過PTC限流器。

二極管和MOSFET組成的特殊Vienna拓撲結構實現三相電流動態(tài)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(wěn)壓整流器可減少輻射到網絡中的噪聲，從而簡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(tǒng)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。我們的示例中，Vienna整流器使用兩個諧振變換器，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，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150 kHz至250 kHz。這種拓撲結構面臨的挑戰(zhàn)是針對所有工作點優(yōu)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組件之一。除電壓和電流高度穩(wěn)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管橋式整流，利用電容加以穩(wěn)定。然后，輸出端直流電壓通過車載電源和電池管理系統(tǒng)為車輛電池充電，進行下一次行駛。

電路細節(jié)使用的半導體器件能夠非常高效地、以節(jié)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。被動元件集成到功率模塊中可進一步優(yōu)化設計。使用功率模塊，有助于進一步提高充電系統(tǒng)的效率和功率密度，減少電動汽車充電時間。