安森美OBC系統(tǒng)解決方案設(shè)計(jì)指南

“OBC系統(tǒng)解決方案設(shè)計(jì)指南”又上新了，第一篇文章介紹了系統(tǒng)用途、系統(tǒng)實(shí)施方法、系統(tǒng)說(shuō)明、市場(chǎng)趨勢(shì)和標(biāo)準(zhǔn)等，本文將繼續(xù)介紹解決方案概述及拓?fù)洹?/p>

解決方案概述

用于高壓應(yīng)用 (OBC) 的集成 APM16 模塊

該 APM16 系列（APM = 汽車功率模塊）采用硅超級(jí)結(jié) MOSFET 和硅或碳化硅二極管技術(shù)的組合，為 PFC 級(jí)、原邊 DCDC 級(jí)以及副邊整流邊提供了多種解決方案。APM16 模塊能夠支持 400VDC 電池系統(tǒng)。

與分立式解決方案相比，使用 APM16 模塊技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于縮小外形尺寸、改進(jìn)散熱設(shè)計(jì)、降低雜散電感、減少內(nèi)部鍵合電阻、提高電流能力、改善 EMC 性能并提高可靠性。

這些器件符合 IEC-60664-1 標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)高達(dá) VAC 5kV/1sec 的功能性強(qiáng)化隔離。APM16 模塊符合 AECQ-101 和 AQG-324（汽車模塊標(biāo)準(zhǔn)）。APM16 設(shè)計(jì)可利用 onsemi 柵極驅(qū)動(dòng)器和電流檢測(cè)放大器來(lái)完善 OBC 功率變換解決方案。

用于高壓應(yīng)用 (OBC) 的集成 APM32 模塊

該 APM32 系列（APM = 汽車功率模塊）集成了 1200V 碳化硅器件，可用于 800V 電池系統(tǒng)和更大功率的 OBC。Vienna 整流器模塊采用 1200 V 80 mΩ 碳化硅 MOSFET 以及碳化硅二極管和硅二極管。雙半橋模塊，采用了安裝在不同基板上的 1200 V 40 mΩ (80 mΩ) 碳化硅 MOSFET。以下為關(guān)于采用 1200V 碳化硅模塊的應(yīng)用說(shuō)明，以及在電氣和熱性能以及功率密度方面的優(yōu)勢(shì)。

APM 封裝技術(shù)為內(nèi)部設(shè)計(jì)和制造，因此可以更有效地控制熱優(yōu)化（而非像某些競(jìng)品那樣外包）。onsemi 還提供靈活的封裝和制造選項(xiàng)，允許客戶購(gòu)買裸芯片、分立器件或模塊。

碳化硅 MOSFET、硅超級(jí)結(jié) MOSFET 與 IGBT 的比較

碳化硅 MOSFET 可用于 PFC、原邊 DCDC 和副邊整流（雙向），是800VDC 電池系統(tǒng)中所推薦的產(chǎn)品。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)相較于 IGBT 或硅超級(jí)結(jié) MOSFET 的最高效率和功率密度。 在眾多采用碳化硅 MOSFET 的設(shè)計(jì)中，可能會(huì)有混合解決方案，即 OBC 的某些功率級(jí)也可能使用 IGBT 或硅超級(jí)結(jié) MOSFET。

在 400VDC 電池系統(tǒng)中，如果采用傳統(tǒng)的升壓型或交錯(cuò)升壓型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，碳化硅 MOSFET 的效率可提高 0.2% - 0.5%；如果用于原邊 DCDC 或副邊整流（雙向），則可提高功率密度和效率。 當(dāng)碳化硅 MOSFET 用于效率對(duì)降低熱負(fù)荷至關(guān)重要的更高功率等級(jí)時(shí)，可能會(huì)帶來(lái)更大的效益。

建議對(duì) 800VDC 電池系統(tǒng)使用 1200V 碳化硅 MOSFET ，對(duì) 400VDC 電池系統(tǒng)使用 650V 碳化硅 MOSFET。當(dāng)使用圖騰柱 PFC 時(shí)，碳化硅 MOSFET 技術(shù)是一種適用于任何電池電壓的推薦解決方案。

硅超級(jí)結(jié) MOSFET可用于 PFC、原邊 DCDC 和副邊整流（雙向）。在傳統(tǒng)的升壓、無(wú)橋升壓和 Vienna 整流器設(shè)計(jì)中，硅超級(jí)結(jié) MOSFET 可很好地實(shí)現(xiàn) PFC，但在圖騰柱 PFC 中使用時(shí)則效果不佳。硬開關(guān)圖騰柱 PFC 的劣勢(shì)體現(xiàn)在體二極管的反向恢復(fù)損耗以及無(wú)法在連續(xù)導(dǎo)通模式下工作。與 IGBT 相比，硅超級(jí)結(jié) MOSFET 具有更高的開關(guān)速度和效率。 對(duì)于標(biāo)稱電壓為 400VDC 的 OBC 電池，650V 硅超級(jí)結(jié) MOSFET 非常適合雙向設(shè)計(jì)中的原邊整流和副邊整流。

IGBT 可用于 PFC 和原邊 DCDC。IGBT 沒(méi)有內(nèi)置體二極管，需要在內(nèi)部封裝一個(gè)二極管或并聯(lián)一個(gè)外部二極管?；旌闲?IGBT 的封裝中包含一個(gè)碳化硅二極管。

對(duì)于 PFC，IGBT 可用于大多數(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且即使“高速”管采用了其他技術(shù)，也可用于圖騰柱 PFC 的“低速”管。當(dāng)考慮到原邊 DCDC 轉(zhuǎn)換的成本時(shí)，IGBT 可用于功率等級(jí)較低的設(shè)計(jì)方案。

與硅超級(jí)結(jié) MOSFET 或碳化硅 MOSFET 相較之下，較慢的開關(guān)速度和較低的效率將必須在設(shè)計(jì)的可接受范圍之內(nèi)。IGBT 也可用于低功率等級(jí)雙向設(shè)計(jì)中的副邊整流，但由于開關(guān)損耗較高（與硅超級(jí)結(jié)或碳化硅 MOSFET 相比），因此并不常用。

硅二極管與碳化硅二極管的比較

硅二極管可用于 400V 電池系統(tǒng)中的 OBC PFC 級(jí)和副邊整流（單向設(shè)計(jì)）。碳化硅二極管具有功率密度大、額定電壓高、無(wú)反向恢復(fù)損耗等優(yōu)點(diǎn)，因此可作為 800V 電池系統(tǒng)的理想選擇。碳化硅二極管還可在更低的電壓下運(yùn)行，以提高效率。

柵極驅(qū)動(dòng)器和數(shù)字隔離

多種隔離柵極驅(qū)動(dòng)器集成電路解決方案適用于碳化硅 MOSFET (NCV51705 / NCV51561C/D)、IGBT (NCV57xxx) 和硅超級(jí)結(jié) MOSFET（NCV51561A/B、NCV511xx）。不斷推出的具有電氣隔離能力的柵極驅(qū)動(dòng)器還進(jìn)一步優(yōu)化了傳播延遲和 CMTI 較高的問(wèn)題。

隔離策略因客戶而異，NCIV9xxx 系列數(shù)字隔離器可用于進(jìn)一步滿足通信線路上的這些要求。

各式各樣的柵極驅(qū)動(dòng)器評(píng)估板組合有助于實(shí)現(xiàn)快速原型開發(fā)。如需了解任何解決方案中我們的柵極驅(qū)動(dòng)器測(cè)試：柵極驅(qū)動(dòng)器即插即用生態(tài)系統(tǒng) [SECO-GDBB-GEVB]

隔離式雙通道柵極驅(qū)動(dòng)器 NCV51561

帶 NCV1362 控制器的碳化硅輔助電源

輔助電源

反激式 DCDC 拓?fù)湫问降母綦x電源可通過(guò) NCV1362 控制器提供隔離電源，然后為 SBC 或分立式 LDO 電源 IC 供電。它可提供 20W 至 40W 的輸出功率。對(duì)于 12V VBUS 的輔助電源，onsemi 可提供 NCV898031 反激式控制器 IC，其需要搭配光耦解決方案使用。

系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片 (SBC) 根據(jù)客戶要求進(jìn)行優(yōu)化，可滿足客戶在通信、功率和特定功能等方面的需求?？蛻暨€可從熱門應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)化 SBC 列表中進(jìn)行選取。像 NCV7471C 或 NCV745x 這類 SBC 結(jié)合了系統(tǒng)電源排序、通信總線接口要求以及可提供 5V 電壓軌的內(nèi)置 DC/DC 轉(zhuǎn)換器等功能。

使用 NCV8170/ NCV816x 或 NCV87xx 等 LDO 可產(chǎn)生額外的電壓軌。為了進(jìn)一步優(yōu)化與柵極驅(qū)動(dòng)器有關(guān)的噪聲問(wèn)題，NCV3064 控制器可用于為所要求的開關(guān)技術(shù)生成隔離軌。onsemi 可提供廣泛的產(chǎn)品組合，具有低至 4.4uVrms 的極低 RMS 噪聲、超過(guò) 90dB 的出色 PSRR、極低 Iq 和 150°C 結(jié)溫額定值。同時(shí)做到與市面主流器件封裝兼容，并具備電源就緒 (PG) 引腳。

模擬信號(hào)鏈

NCV2191x 或 NCV20xxx 運(yùn)算放大器可用于電壓測(cè)量，而 NCV21xR 電流檢測(cè)放大器可用于高壓應(yīng)用中的低側(cè)電流檢測(cè)。對(duì)于低側(cè)傳感應(yīng)用，共模范圍為 -0.3V 至 +26V。若要在負(fù)電壓側(cè)實(shí)現(xiàn)更大的容差范圍，則應(yīng)考慮 NCV7041 系列，其共模輸入范圍為 -5.0V 至 +80V（增益選項(xiàng)為 14、20、50 和 100）。

NCV225x 比較器與 NVT211 溫度傳感器和 NCV431 并聯(lián)電壓基準(zhǔn)配合使用，可實(shí)現(xiàn)對(duì)各種系統(tǒng)信息的高精度監(jiān)測(cè)。務(wù)必選擇具有合適帶寬、偏置和所需漂移的放大器。

IVN 和 CAN ESD 保護(hù)

onsemi 一直在為車主客戶開發(fā) CAN 和 CAN-FD 器件。這些產(chǎn)品已通過(guò)所有主要汽車原始設(shè)備制造商的認(rèn)證，可提供面向 LIN、CAN、CAN-FD 和 FlexRay 的完整產(chǎn)品組合。

CAN 和 CAN-FD 收發(fā)器（如NCV734x）以及即將推出的 隔離式 CAN 均可供選擇。

通信接口線路應(yīng)采用 SZNUP2124 和 SZNUP2125 等器件，以避免瞬態(tài)事件的發(fā)生。

機(jī)械和散熱考量

機(jī)械封裝限制可能會(huì)影響電氣元件在高度、重量等方面的選擇面。無(wú)論是使用空氣還是液體冷卻，都應(yīng)將對(duì)熱管理的考量提升到系統(tǒng)層面。

務(wù)必要重視材料和元件封裝的選擇，以有效協(xié)助熱管理。請(qǐng)參閱 onsemi APM 應(yīng)用說(shuō)明 ，了解更多有關(guān)提高熱性能的信息。

解決方案概述 - 方框圖

用于 400V 電池架構(gòu)的車載充電器

電動(dòng)汽車充電的系統(tǒng)級(jí)示意圖

充電站有三種類別或“等級(jí)”。1 級(jí)和 2 級(jí)充電站可將交流電輸送到車載充電器，以適當(dāng)?shù)妮敵鲭娏骱碗妷簽橹绷麟姵爻潆姟? 級(jí)充電站是“車外”直流充電站，可繞過(guò)車輛的 OBC，直接向車輛電池提供高達(dá) 400 A 的高壓直流電。

推薦產(chǎn)品

安森美（onsemi）還提供了一系列開發(fā)工具和資源，包括產(chǎn)品推薦工具、WebDesigner+、Strata Developer Studio、仿真 SPICE 模型、交互式方框圖、評(píng)估和開發(fā)工具、Elite Power Simulator、自助式 PLECS 模型生成器。

解決方案概述 - 拓?fù)?/strong>