800V電動汽車開發(fā)：如何選好“料”，烹小鮮？

全球范圍內(nèi)，電動汽車（EV）行業(yè)正處在一個快速成長期。根據(jù)麥肯錫的預測，在2021至2030的十年間，全球乘用車的總銷量預計約為8億臺，其中電動汽車的銷量將達到約2.2億臺，其滲透力可謂勢不可擋。

但伴隨著迅速增長的市場規(guī)模，還有越來越多的“吐槽”。這主要是因為電動汽車作為一個“新物種”，縱有千般優(yōu)點，在現(xiàn)階段面對已歷經(jīng)百年發(fā)展歷程的傳統(tǒng)燃油車，用戶體驗上還是差強人意，這就使得用戶難于實現(xiàn)完美而無憂的“平替”。而槽點主要集中在續(xù)航和補能（充電）方面。

800V高壓充電時代來臨

為了實現(xiàn)電動汽車的快充，優(yōu)化用戶的駕乘體驗，核心的要義只有一條——提升功率；而在“如何提升功率”技術路徑的選擇上，則有“大電流”和“高電壓”兩個不同的技術流派。

“大電流”派的思路是在不改變當前電動汽車400V電壓架構的前提下，通過增大電流來提升充電功率。特斯拉就是這個流派的“帶頭大哥”，其超級充電樁工作電流峰值高達600A，可提供250kW的功率。

不過“大電流”快充方案有兩個先天的短板：一是大電流會在整個功率傳輸鏈路上產(chǎn)生更高的熱損耗，需要額外的散熱系統(tǒng)，這無疑會增加系統(tǒng)不確定性；二是為了提供更大的載流能力，需要采用更粗（也更重）的線束，以及體積更大的連接器等配套元器件，這對于空間有限且對控制自重有嚴苛要求的汽車應用是不小的挑戰(zhàn)。因此，業(yè)內(nèi)普遍的認識是，“大電流”的快充方案更容易碰到性能提升的“天花板”。

而與之相比，“高電壓”方案的思路是將電動汽車充電電壓從傳統(tǒng)的400V提高到800V，無需大幅提升電流也能達到更理想的快充效果，且不需要更換更粗的線束和相關元器件。而且有研究表明，采用800V高壓模式的快充支持30%-80% SoC最大功率充電，而低壓大電流模式僅能在10%-20% SoC進行最大功率充電，也就是說800V高壓模式能支持更長時間的快充。

2019年保時捷發(fā)布了全球首款采用800V高壓系統(tǒng)的Taycan車型，僅用23分鐘就能將電池電量從5%充至80%，這算是給大家打了個樣，此后越來越多的車企都加入到了這個“800V快充系統(tǒng)”俱樂部，“充電5分鐘，續(xù)航200公里”推廣語的聲浪也越來越大。

雖然800V高壓系統(tǒng)的設計仍面臨著諸多挑戰(zhàn)，不過越來越多的人都認同“高電壓”的技術路線終將勝出，我們正在邁入800V電動汽車的時代。

大功率下的車用元器件

當然，電壓從400V提高到800V這個升級并不簡單。從系統(tǒng)級的角度看，這關系到整個電動汽車的動力系統(tǒng)，涉及逆變器、電機驅動、DC-DC、車載充電器（OBC）等很多組件子系統(tǒng)的同步升級，可謂牽一發(fā)動全身，這就需要設計出新的系統(tǒng)架構去滿足綜合性價比的要求。

從元器件級來看，在更大功率的電動車系統(tǒng)中，必然要求基礎的元器件能夠經(jīng)得住考驗，跟上市場發(fā)展的要求。盡管通過一些巧妙的系統(tǒng)設計上的優(yōu)化，很多400V系統(tǒng)中的元器件在800V系統(tǒng)中仍然可以使用，但是根據(jù)技術趨勢進行預判，未雨綢繆，提供未來更大功率所需的車用元器件，仍然是元器件供應商在面對快速發(fā)展的電動汽車市場時的必修課。

綜合來看，大功率場景中的車用元器件除了要滿足基本的車規(guī)要求外，還需要在以下幾個方面進行“修煉”，建立優(yōu)勢能力：

更高的功率密度

更高的功率往往伴隨著更高的功率損耗和熱量耗散，因此就需要元器件在高效率、低能耗方面有過人之處。與此同時，車用環(huán)境對空間的敏感性，也使得元器件外形封裝要盡量緊湊。兩個因素疊加，具有更高功率密度的元器件，顯然更有競爭力。

更高的安全性

功率更高，意味著在控制和傳輸功率時要確保更高的安全性和可靠性。比如800V架構由于電壓更高，在控制和保護電路中產(chǎn)生損壞電弧的幾率也更大，因此必須要滿足更嚴格的隔離要求。

更精準的感測

想要實現(xiàn)更精準的大功率控制和管理，一個前提就是要增加系統(tǒng)中的感測元器件，能夠準確測量電池、負載等對象的電信號并將其傳輸?shù)娇刂苽?。而元器件?shù)量和系統(tǒng)復雜性的增加，會提高失效率（FIT），這也會轉變?yōu)閷δ馨踩男绿魬?zhàn)。

顯而易見，只有不斷豐富和優(yōu)化自己的產(chǎn)品組合，滿足上面這些設計要求，元器件廠商才能夠從容應對大功率汽車應用開發(fā)中的諸多挑戰(zhàn)。

Vishay的電動汽車解決方案

車用元器件一直是Vishay的優(yōu)勢領域。在電動汽車時代，Vishay也在進一步鞏固這一優(yōu)勢，不斷推出能夠滿足電動汽車大功率應用開發(fā)所需的元器件產(chǎn)品和解決方案。下面就是其中一些代表性的產(chǎn)品。

SQJ汽車用MOSFET

功率MOSFET是大功率汽車應用中最為關鍵的半導體器件之一，隨著電動汽車電源架構的升級，更低損耗、更高效率、更高耐壓、更高可靠性的器件自然成為了大家追求的目標。為了實現(xiàn)這一目標，一方面人們在積極推動SiC MOSFET這類新型器件的發(fā)展和應用，以期獲得性能的全面提升；另一方面也在對傳統(tǒng)的Si MOSFET深度挖潛，提供更具性價比的解決方案。

Vishay / Siliconix的SQJ汽車用MOSFET，是TrenchFET?? Gen IV N溝道30VDS至100VDS功率MOSFET，這些MOSFET符合AEC-Q101標準，且100%經(jīng)過Rg和無鉗位電感開關（UIS）測試，RDS(on)低至0.7 mΩ，且具有行業(yè)先進水平的FOM參數(shù)，進一步優(yōu)化了開關特性。SQJ汽車用MOSFET具有非常低的RDS(on)，在低功耗方面也很有優(yōu)勢。該功率MOSFET采用PowerPAK SO-8L封裝，支持很寬的結溫范圍（-55°C至175°C），能夠適應電機驅動、電池管理等嚴苛的電動汽車應用的要求。

圖1：SQJ汽車用MOSFET

（圖源：Vishay）

VOA300汽車級線性光耦合器

在電動汽車電池管理系統(tǒng)（BMS）的開發(fā)中，一方面需要完成電池電壓檢測和信號傳輸，另一方面還要在高壓電池側和低壓控制側之間實現(xiàn)可靠的隔離，這時就需要一款高性能的光耦合器來擔負這個重要角色。

Vishay的VOA300汽車級線性光耦合器專門設計用于BMS中的電壓檢測，器件內(nèi)部兩端分別集成了一個紅外發(fā)射、一個隔離反饋和一個輸出的PIN光電二極管，具有1.4MHz寬帶寬，與其他標準光耦合器相比，在快速響應（1.2μs數(shù)據(jù)傳輸）、增益穩(wěn)定性（±0.005% /°C）和隔離電壓（5300VRMS）等方面都實現(xiàn)了更高的性能。VOA300符合AEC-Q102標準，除了BMS，在車載充電器（OBC）電壓監(jiān)測、DC/DC轉換器和AC/DC逆變器級電壓監(jiān)測方面也可一展身手。

圖2：VOA300汽車級線性光耦合器

（圖源：Vishay）

WSLP3921和WSLP5931大功率電阻器

在為功率系統(tǒng)提供準確的電流測量時，需要用到高性能和高可靠性的大功率分流電阻器，在這方面Vishay有一款非常值得稱道的產(chǎn)品。

Vishay / Dale的WSLP3921和WSLP5931大功率電阻器可以支持高達15W的功率，由于其是由單個金屬條制成，因此具有極低的電阻值（低至0.1mΩ），以及0.5nH至5nH的超低電感值。這些表面貼裝Power Metal Strip??功率電阻提供3921和5931外殼尺寸，采用全焊接結構，非常適合用于電流感應、分壓和脈沖應用。符合AEC-Q200標準的WSLP3921和WSLP5931電阻器，在大功率汽車應用上顯然也是游刃有余。

圖3：WSLP3921和WSLP5931大功率電阻器

（圖源：Vishay）

MKP1848Se DC-Link薄膜電容器

在大功率電動汽車系統(tǒng)中，各種元器件無疑會經(jīng)受更嚴苛的考驗，這時高可靠性、高穩(wěn)定性的物料肯定是優(yōu)選方案。具體到電容器，薄膜電容器憑借其耐高壓、抗紋波能力強、可靠性和安全性高、性能穩(wěn)定、壽命長、無極性等優(yōu)點，在電動汽車應用上頗受青睞，應用廣泛。

在這個產(chǎn)品線上，Vishay / Roederstein的MKP1848Se DC-Link薄膜電容器很值得推薦。該系列汽車級金屬化聚丙烯直流支撐（DC-Link）薄膜電容器具有高紋波電流、低ESR和ESL等特性，而且其在額定 UNDC 條件下經(jīng)受56天60°C、93%相對濕度的THB測試，具有高達105°C的工作溫度，可靠性和耐用性出眾。同時，該系列薄膜電容器的高度僅有12mm，因此十分適合空間受限的汽車應用。MKP1848Se系列薄膜電容器提供1μF至75μF的額定電容值，容值精度有5%和10%，額定電壓為500V至1,200V，符合AEC-Q200標準，在電動汽車中的典型應用包括電源轉換器、板載和感應充電系統(tǒng)、HVAC系統(tǒng)和電機驅動器等。

圖4：MKP1848Se DC-Link薄膜電容器

（圖源：Vishay）

打造完整參考設計

對于真正的電動汽車大功率系統(tǒng)開發(fā)來講，認識了上述這些適用元器件僅是完成了“選料”的第一步，如何在設計中將它們整合在一起，形成完整、可商用的產(chǎn)品或方案，才是更大的挑戰(zhàn)。

幸運的是，Vishay已經(jīng)搶先一步意識到這一點，所以近年來一直在基于這些高性能車用元器件，針對電動汽車大功率應用的“痛點”打造完整的參考設計。這些參考設計包括完整的設計文件和BOM，以及其他相關的設計資源，可以大大加速相關功能組件的評估和研發(fā)工作。

比如下面這款Vishay新近推出的800VDC/ 50A雙向eFuse參考設計，它是采用半導體器件設計的可恢復電子保險絲（efuse），可取代機械繼電器和接觸器以及傳統(tǒng)的不可恢復保險絲，代表著高功率應用中控制和保護系統(tǒng)設計的新趨勢。

圖5：800VDC / 50A雙向eFuse參考設計

（圖源：Vishay）

這個在雙面四層PCB（FR4）上構建的eFuse參考設計，采用先進的SiC MOSFET作為主開關，能夠在動力電池組的高壓電源與各種類型的車用負載之間實現(xiàn)快速安全的開關操作，可支持最高50A的工作電流，應對高達40kW的連續(xù)功率。值得一提的是，其在全功率下連續(xù)運行時損耗小于25W，因此不需要主動冷卻裝置，由此可見其在高能效設計方面表現(xiàn)十分出眾。

除了大功率開關控制，這個800VDC雙向eFuse參考設計還具有可靠的保護功能。如果電流超過預定限制，負載將快速從電池組斷開，以保護電池組和用戶。該eFuse還設計有預載、連續(xù)電流監(jiān)測和過流保護功能，故障后關機僅需2.5μs。

圖6：800VDC/ 50A雙向eFuse參考設計電路板

（圖源：Vishay）

在該參考設計的BOM中，可以看到很多Vishay車用元器件的身影，比如我們上文介紹的VOA300汽車級線性光耦合器，就負責在高壓側和控制側之間提供可靠的隔離，同時提供高達200kHz的數(shù)字信號傳輸，使得電壓和電流測量信號能夠“穿過”隔離屏障進行傳輸。同時，WSLP3921功率電阻器在這個eFuse中作為電流感測分流電阻，也是精確測量負載電流不可或缺的一顆料。

總之，通過這樣的參考設計，Vishay將各種元器件整合成一個完整的解決方案，呈現(xiàn)在用戶面前，為大家?guī)砀庇^的功能和開發(fā)體驗，藉此也讓自己的技術優(yōu)勢得以充分展現(xiàn)。如需了解更多800V、50A 雙向 eFuse 參考設計，請點擊文末“閱讀原文”。

本文小結

向更大功率系統(tǒng)演進，提供更佳的用戶體驗，已經(jīng)成為電動汽車開發(fā)中的大趨勢。800V架構及其他大功率的應用開發(fā)，對于很多開發(fā)者來說也是一個全新的嘗試，這個過程就像是“烹小鮮”，需要選擇合適的“食材”（元器件），料理出一道“美味”（解決方案）。

Vishay不僅能夠為你提供所需的好“料”，還親自“下廚”，用這些好“料”打造出完整的參考設計，讓大家能夠搶“鮮”品嘗到創(chuàng)新科技帶來的全新體驗。這些在800V電動汽車時代選好“料”、烹小鮮的訣竅，歡迎大家一起來圍觀——