Vishay车载充电器解决方案

图1：EMIPAK 2B车载充电器功率模块。Vishay

汽车产业的电气化趋势正在加快步伐。这不仅因废气排放值的限制，而且因补贴计划而加速。这些车辆的核心部件是电池充电系统，也称车载充电器(OBC)。有了这些系统，电池可通过标准家用连接器或商用充电站充电。

根据车辆类型，安装的充电系统负载功率最高可达22kW。需要这种大功率充电来满足可以接受的充电时间的要求。车载充电器的使用对电子元件供应商提出非常高的品质要求。Vishay凭藉这一领域的丰富经验可以提供广泛的合适元件组合。

由于功率密度高，22kW OBC(400VAC输入，500VDC输出)依赖于半导体功率模块解决方案。采用专门为充电器设计的模块，可提高系统效率，同时实现更高功率密度。事实证明，EMIPAK 2B(如图1)封装模块是这一领域极为强大且高效的解决方案。这一模块已广泛用于各种应用和配置。功率模块内部结构特别适合汽车工业的应用要求。

因此，这一功率模块适用于每一代充电系统，在各种情况下都可以使用最新一代半导体器件。模块引脚采用压合技术连接，便于极为轻松的快速组装。模块直接连接车辆液冷系统，具有极高的功率密度并优化模块热管理。

目前，电动汽车需要大功率OBC在短时间内为大容量电池组充电。22kW OBC采用340VAC至480VAC三相输入电压，输出电压为250V至500V，最大电流约为50A。输入级使用T型Vienna整流器，满足谐波和无功功率的要求，允许充电器在较宽的输入电压范围内运行。输出电压由具有非同步整流功能的隔离式谐振转换器控制。

图2示例为虚拟零电位拓扑结构，直流电压分成对称的两级。通过这种方法，主控DC/DC级可采用650 V矽MOSFET，而其他拓扑结构则需要昂贵的1200V碳化矽(SiC) 器件。

使用T型Vienna整流器还可以实现所需的功率因数校正(PFC)。不过，图2中使用的升压拓扑结构不能限制充电器启动时产生的高突波电流。DC-Link需要较大的电容器组来稳定，支持PFC级和DC/DC转换器开关操作。

根据要求，这种情况下通常使用耐压铝电解或铝箔电容器。这种突波电流必须通过有源保护电路加以限制，以防半导体元件和电容器超载。这种情况下，可采用晶闸管与PTC正温度热敏电阻并联作为保护电路。正温度热敏电阻的特性(高温下电阻急剧上升)限制输入电流。这样可以确保充电系统安全启动。当DC-Link稳定在所需的电压值时，两个闸流体导通，将所需充电功率通过PTC限流器。

二极管和MOSFET组成的特殊Vienna拓扑结构实现三相电流主动整流。这个电路可校正功率因数，防止容性负载无功功率损耗。此外，稳压整流器可减少辐射到网络中的杂讯，从而简化输入滤波器的设计。

充电系统的核心是隔离式DC/DC转换器，用来建立高压电池的充电电压。如图3的示例中，Vienna整流器使用两个谐振转换器，分别用在正负DC-Link和虚拟零电位电路中。它们在输出端并联，以获得电池的充电功率。两个谐振变压器由MSOFET H桥驱动，开关频率为150kHz至250kHz。

这种拓扑结构面临的挑战是针对所有工作点优化两个谐振变压器电路，最大限度减小输入输出电压受到的干扰。与变压器一样，谐振电容是这个电路的核心元件之一。除电压和电流高度稳定外，电容的di/dt边缘陡度也必须具有非常理想的参数。

在输出端，变压器交流电压通过二极管桥式整流，利用电容加以稳定。然后，输出端直流电压通过车载电源和电池管理系统为车辆电池充电，进行下一次行驶。

电路细节使用的半导体器件能够非常高效地、以节省空间的方式整合到Vishay功率模块中。模块内部设计高度重视如何减小各种干扰变量，例如电容或电感变量。被动元件整合到功率模块中可进一步优化设计。使用功率模块，有助于进一步提高充电系统的效率和功率密度，减少电动汽车充电时间。关于Vishay车载充电器产品详细，请至Vishay产品网页查询。