電動車電源技術(shù)原理及OBC樣機拆機分析

以下文章來源于英飛凌官微：

本文將從電動車電源技術(shù)原理、OBC的市場規(guī)模和行業(yè)現(xiàn)狀、OBC電路原理分析、樣機實物拆解案例分析的角度，深入解讀電動車電源關(guān)鍵元件。

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1.電動汽車簡單分類

HEV Hybrid Electric Vehicle 混合動力電動汽車

PHEV Plug-in hybrid electric vehicle 插電式混合動力汽車

BEV Battery Electric Vehicle 純電動汽車

FCEV Fuel Cell Electric Vehicle 燃料電池電動汽車

2. 電動汽車OBC分類及其大功率PFC技術(shù)分析

2.1 單相OBC技術(shù)

2.2 三相OBC技術(shù)

2.3 PFC 臨界模式Vs連續(xù)模式

2.4 交錯并聯(lián) PFC電路技術(shù)特點

2.5 基于碳化硅的無橋PFC拓撲

該方案由一個升壓電感器、兩個高頻升壓 SiC 開關(guān)（SiC1 和 SiC2）和兩個用于在電路上傳導(dǎo)電流的元件組成，線路可以是兩個慢速二極管。（A）顯示了兩個硅MOSFET（Si1和Si2）。（B）表明，Si1和Si2的使用進一步提高了效率。

2.5.1 無橋PFC工作原理分析

3.OBC DC-DC變換器技術(shù)分析

3.1 LLC-SRC半橋變換器

3.2 LLC-SRC諧振單元

3.3 LLC拓撲增益函數(shù)

3.4 諧振型雙向CLLLC電路

3.5 雙向有源橋（Dual Active Bridge，DAB）

4.直流充電樁拓撲分析

4.1 20-30kW兩電平LLC雙向DC/DC變換器

下圖顯示具有雙向流動設(shè)計和總共 12 個 SiC MOSFET 的兩電平 LLC 電路示例，該電路可實現(xiàn)簡單、靈活的控制，具有高效率和磁性元件小的特點。在這種用于直流快速充電的配置中，繼電器可以針對 400 V 和 800 V 操作進行切換，滿足低或高充電電流的需求。一個不足之處在于：LLC 設(shè)計通常具有一個狹窄的最佳應(yīng)用點，需要謹慎設(shè)計諧振回路。

4.2 20-30kW兩電平LLC級聯(lián)雙向DC/DC變換器

下圖顯示具有雙向流動設(shè)計和總共 12 個 MOSFET 的兩電平 LLC 級聯(lián)電路示例，該電路支持從傳統(tǒng) Si 組件輕松過渡到 SiC（電壓為 650 V）。盡管使用 SiC 器件可提升效率，但該結(jié)構(gòu)也存在一些挑戰(zhàn)。

4.3 20-30kW雙有源橋（DAB）雙向DC/DC變換器

5.寬禁帶功率器件技術(shù)分析

5.1 SiC MOSFET研究進展

固體的能帶理論

禁帶寬帶（Eg）：半導(dǎo)體的禁帶寬度與晶格原子之間的化學(xué)鍵相關(guān)，更強的化學(xué)鍵意味著電子很難從一個位置跳躍到下一個位置，因此，較大的禁帶寬度的半導(dǎo)體材料具有較低的本征泄漏電流和較高的工作溫度。

臨界擊穿電場（Ecrit)：強的化學(xué)鍵會造成更大的禁寬帶度，也會引起雪崩擊穿時更高的臨界擊穿電場，器件擊穿電壓可以近似：VBR=1/2*Wdrift*Ecirt，因此器件的擊穿電壓與漂移區(qū)寬度成正比。

5.2 碳化硅 (SiC)器件特性分類及SiC MOSFET結(jié)構(gòu)

5.2.1 SiC對比Si材料優(yōu)勢

5.2.2 節(jié)能及系統(tǒng)集成度推動電力電子應(yīng)用的發(fā)展

5.2.3 SiC二極管種類

SiC功率二極管有4種類型：PiN 二極管、肖特基二極管(Schottky Barrier Diode，SBD)，結(jié)勢壘肖特基二極管(Junction Barrier Schottky Diode，JBS)和混合式PIN-肖特基二極管。

5.2.4 SiC二極管開關(guān)動態(tài)過程

5.2.5 平面SiC MOSFET的挑戰(zhàn)

5.2.6 英飛凌的現(xiàn)代溝槽CoolSiC技術(shù)

5.2.7 一種典型分離柵的雙槽 SiC MOSFET

5.2.8 典型的溝槽結(jié)構(gòu)SiC MOSFET類型

這些結(jié)構(gòu)核心就是在柵極溝槽底部或柵極溝槽底部附近區(qū)域，增加P型結(jié)構(gòu)，形成耗盡層（空間電荷區(qū)），從而，把柵極溝槽底部氧化層電場，部分轉(zhuǎn)移到耗盡層中，減小柵極溝槽底部的電場。

6.英飛凌的CoolMOS CFD7A

高功率密度 → 更緊湊的設(shè)計CoolMOS CFD7A在硬開關(guān)和諧振開關(guān)拓撲中，尤其是輕負荷條件下具有較大改進，令效率更上一層樓。與之前幾代產(chǎn)品相比，其在相同柵極損耗的水平下可實現(xiàn)更高的開關(guān)頻率；而且這一產(chǎn)品組合極具前景，使CFD7A成為減少系統(tǒng)重量和空間以實現(xiàn)更緊湊設(shè)計的關(guān)鍵因素。

符合汽車壽命要求的出色可靠性由于宇宙輻射魯棒性增強，CoolMOS CFD7A 技術(shù)能夠應(yīng)用更高的蓄電池電壓，同時具有與前幾代產(chǎn)品及其他市場產(chǎn)品相同的可靠性。

更高的設(shè)計靈活性和可擴展性得益于固有快速體二極管和廣泛的產(chǎn)品組合，CFD7A器件可用于PFC和DC-DC級。

6.1 使用CoolMOS達到下個功率密度水平CFD7A系列

6.2 卓越技術(shù)確保CFD7A是市場上最具宇宙輻射魯棒性器件

6.3 可以在不同尺寸上實現(xiàn)更高的功率密度

6.4 在相同的柵極損耗水平下可以支持更高的開關(guān)頻率

6.5 在關(guān)鍵參數(shù)方面取得了相當(dāng)大的性能改進

6.6 快速的體二極管增加額外可靠性，減少設(shè)計工作量

6.7 CFD7A的關(guān)鍵指標(biāo)系數(shù)FOM

7. 一款典型OBC樣機拆機分析

7.1總體方案

7.2主要功率半導(dǎo)體

7.3輸入輸出端口

審核編輯：湯梓紅