电动、混动汽车可通过直流充电桩或普通的交流电源插座对其高压电池子系统进行充电，车载充电器(OBC)是交流充电的核心系统。安森美半导体作为汽车功能电子化的领袖之一，为电动汽车 OBC 和直流充电桩提供碳化硅(SiC) MOSFET、超级结 MOSFET、IGBT 和汽车功率模块(APM)等广泛的产品阵容乃至完整的系统方案，以专知和经验支持设计人员优化性能，加快开发周期。本文将主要介绍针对主流功率等级的高能效 OBC 方案。

　　典型的 OBC 系统架构和功率等级

　　1 个典型的 OBC 由多个级联级组成，包括功率因数校正(PFC)、DC-DC 转换器、次级整流、辅助电源、控制及驱动电路。

　　图 1：典型的 OBC 系统架构

　　OBC 具有多种功率等级，功率等级越高，充电时间就越短。车厂必须根据整车要求定义适当的 OBC 功率等级。这些 OBC 需要大功率的交流电源，根据 OBC 的设计，由单相或三相电源供电。最流行的 OBC 功率等级是 3.3kW、6.6kW、11kW 和 22kW；每一个对应于不同的常见交流功率等级，如表 1 所示。安森美半导体可提供单相 3.3 kW、6.6 kW 和三相 11 kW OBC 方案。

　　三相 11 kW 车载充电器平台 SEC-3PH-11-OBC-EVB

　　SEC-3PH-11-OBC-EVB 是安森美半导体新推出的三相 11 kW PFC-LLC OBC 平台，采用符合 AEC-Q101 的 SiC 功率器件和驱动器，包括 1200 V、80mΩ NVHL080N120SC1 高性能 SiC MOSFET、6 A SiC MOSFET 门极驱动器 NCV51705 和 650 V、30 A SiC 二极管 FFSB3065B-F085，系统能效超过 95%。该套件采用模块化方法，配备用户友好的图形用户接口(GUI)，从而简化和加快评估。LLC 系统由嵌入式软件以电压或电流控制模式驱动。该平台展示 SiC 器件用于 OBC 可提供的高能效、高功率密度、小占位优势，也可作为开发 3 相 PFC-LLC 拓扑系统的学习环境。该套件的关键参数为：输入电压 195 至 265 Vac，直流总线电压最大值 735 Vdc，输出电压 200 至 450 Vdc，输出电流 0 至 40 A，最高频率 fs 400 kHz。

　　图 2：安森美半导体的三相 11 kW OBC 套件

　　6.6 kW OBC 参考设计

　　该 6.6 kW OBC 参考设计采用三通道交错式 PFC-LLC 以获得高能效和高功率密度，并减少电流纹波，总线电压可根据输出电压调节以优化能效。输入电压 90 至 264 Vac，输出电流 0 至 16 A，典型能效 94%。关键器件包括超级结 MOSFET  NVHL040N65S3F、NTPF082N65S3F，650 V、30 A SiC 二极管 FFSP3065A、PFC 控制器 FAN9673、LLC 控制器 FAN7688 等。

　　高能效的 IGBT 应对电动汽车车载充电的重要趋势：双向充电

　　在电动汽车电池和建筑物或电网之间进行双向充电(V2X)将成为电动汽车车载充电的重要趋势。双向充电应考虑充放电能效，以确保转换时不浪费能量，需要图腾柱无桥 PFC，此时，反向恢复性能至关重要。集成外部 SiC 二极管的 IGBT 比 MOSFET 方案提供更高能效，因为没有相关的正向或反向恢复损耗。如图 3 是双向充电的电路图，对于 K3 和 K4，需要快速开关、低饱和压降 Vcesat、低正向电压 Vf 的器件。安森美半导体提供宽广的符合 AEC 车规的 IGBT 系列，包括 650 V/750 V/ 950 V 第 4 代沟槽场截止 IGBT 和 1200 V 超高速沟槽场截止 IGBT，具备更低的损耗和更高的功率密度，以及集成 SiC 二极管的混合 IGBT 方案 AFGHL50T65SQDC。

　　图 3：双向充电电路图

　　SiC 方案降低损耗

　　SiC 比硅方案降低开关损耗和导通损耗，提供新的性能水平。安森美半导体投入宽禁带的开发近 10 年，是少数同时具备硅、SiC 和氮化镓(GaN)技术的供应商，针对车载充电应用，提供汽车级 650 V SiC 二极管(涵盖 6 A 到 50 A)、1200 V SiC 二极管(涵盖 10 A 到 40 A)、1200 V  SiC MOSFET (涵盖 20 到 80mΩ)。这些 SiC 二极管最高结温 175℃，具有高浪涌电流能力，正温系数，易于并联，无反向恢复损耗，符合 AEC-Q101 和生产件批准程序(PPAP)。这些 SiC MOSFET 最高结温 175℃，提供高速开关和低电容，100%经无钳位感性负载(UIL)测试，符合 AEC-Q101 和生产件批准程序(PPAP)。

　　超级结 MOSFET：比平面硅方案性能更好，比 SiC 方案更具成本优势

　　安森美半导体具备 10 年汽车超级结 MOSFET 经验，最新的第三代超级结 MOSFET 提供领先行业的能效和性能，现有的超级结 MOSFET 分立器件可提供 KGD 裸芯，并于 2018 年推出 APM 模块。

　　超级结 MOSFET 有快速版本(FAST Version)、易驱动版本(Easy Drive Version)和快恢复版本(FRFET Version)。快速版本主要针对工业级应用。易驱动版本由于内置门极电阻 Rg 和优化电容，降低电压尖峰和电磁干扰(EMI)。快恢复版本具有同类最佳的体二极管。

　　APM 模块

　　APM 模块可用于 OBC 的 PFC、LLC 转换、整流等各个功率级，减少器件数，缩减尺寸和重量，提高功率密度，并降低总系统成本。如安森美半导体 2018 年推出的 APM16，高度集成的紧凑设计，具备集成所有硅和 SiC 技术、全桥或半桥拓扑的灵活性，热阻抗低，符合 AQG324、IEC60664-1、IEC60950-1 等标准。

　　门极驱动

　　安森美半导体提供大驱动电流的驱动器提升系统能效，隔离技术安全、可靠、经认证，不产生 EMI 也不受系统产生的 EMI 影响，强固的共模瞬态抑制可抵抗高压和大功率开关应用中出现的系统电压瞬变。如 16 引脚隔离门极驱动器 NCV57000 大电流单通道 IGBT 驱动器，内置伽伐尼安全隔离设计，在要求高可靠性的电源应用中提供高能效工作，具有米勒平台电压下的大电流，伽伐尼隔离额定值大于 5 kVrms，满足 UL 1577 的要求，工作电压高于 1200 V，其它特性包括软关断以抑制尖峰电压、可编程延迟去饱和（DESAT）保护，传输延迟典型值 66 ns、短路时 IGBT 门极钳位等。

　　总结

　　车载充电市场随着电动汽车电动动力总成需求的增长而增长。安森美半导体除了提供广泛的超级结 MOSFET、IGBT、门极驱动，还针对 V2X 等趋势和功率等级及占位面积等挑战推出集成 SiC 的混合 IGBT、SiC MOSFET、APM 模块，应用于车载充电的 PFC、DC-DC、整流、辅助电源、驱动等各个功率级，提高能效、性能、功率密度，减小损耗和占位空间，同时积极扩展现有产品阵容，推出用于 3.3kW、6.6kW、11kW 等主流功率等级的 OBC 开发套件，帮助加快设计和评估，其最新推出的三相 11 kW 车载充电器平台 SEC-3PH-11-OBC-EVB 采用 SiC 技术，能效水平超过 95%，功率密度高，可执行的数字控制和可用的 GUI 确保无忧的启动和用户友好的体验，还可作为开发 3 相 PFC-LLC 拓扑系统的学习环境。