在電動(dòng)化趨勢(shì)推動(dòng)之下，新能源汽車產(chǎn)業(yè)拾級(jí)而上，燃油車全面退出已成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。EV
Volumes數(shù)據(jù)顯示，2021年全球新能源汽車銷量為675萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)108%，滲透率突破8.3%。顯而易見(jiàn)，隨著新能源汽車“三電系統(tǒng)”，電池、電驅(qū)、電控等技術(shù)在創(chuàng)新升級(jí)中逐步完善，新能源汽車市場(chǎng)滲透率將大幅提升，逐漸完成“政策驅(qū)動(dòng)”向“市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)”的過(guò)渡。
圖1：2012-2021全球新能源汽車市場(chǎng)趨勢(shì)（圖源：EV Volumes）
新能源汽車市場(chǎng)潛力廣闊，但長(zhǎng)期以來(lái)，續(xù)航里程短、充電時(shí)間長(zhǎng)、電池安全性等問(wèn)題仍然掣肘著新能源汽車的發(fā)展。為此，主流車企積極尋求破局之道，提升電池容量、提高補(bǔ)能效率、縮短充電時(shí)間逐漸成為突破瓶頸的切入點(diǎn)。
理論上，在帶電量相同的情況下，充電功率越高，充電速度就越快。因而，提高充電功率成為有效化解電動(dòng)汽車?yán)锍探箲]的途徑之一。對(duì)于新能源汽車而言，升級(jí)大功率快充牽一發(fā)動(dòng)全身，勢(shì)必帶動(dòng)著半導(dǎo)體元器件的替換與升級(jí)。
在高壓、大電流架構(gòu)之下，無(wú)論是整車系統(tǒng)還是充電樁、電池、電驅(qū)、PTC輔助、空調(diào)系統(tǒng)等需要重新適配，充電槍、線束、接觸器和熔斷器等也需根據(jù)高壓架構(gòu)來(lái)調(diào)整。功率半導(dǎo)體需具備更高耐壓等級(jí)和開(kāi)關(guān)損耗，磁性元件也朝著高功率、小尺寸、模塊化方向發(fā)展。本文將以磁性元件和保護(hù)器件為例，說(shuō)明大功率超級(jí)快充如何影響電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的元器件選擇。
大功率快充帶動(dòng)整車元器件全面升級(jí)
業(yè)界普遍認(rèn)為，大功率快充要求充電電流大于2C，充電時(shí)間小于30分鐘，而其實(shí)現(xiàn)方式無(wú)外乎提高電流或提升電壓兩種。低壓大電流模式將會(huì)增加電氣系統(tǒng)發(fā)熱量，對(duì)散熱技術(shù)、線束標(biāo)準(zhǔn)以及空間都提出了更高要求，提升至600A已是極限，難以滿足更為快速的充能需求。高壓技術(shù)路線則可降低熱損耗、減輕整車質(zhì)量、優(yōu)化動(dòng)力結(jié)構(gòu)、提高安全性能，從而成為提升充電速率的最佳選擇。
通過(guò)大功率快充，充電產(chǎn)生的熱量將大幅提高，對(duì)元器件耐壓等級(jí)、絕緣性能、開(kāi)關(guān)損耗、抗高溫性能等方面提出了更高的要求。對(duì)于元器件制造商而言，挑戰(zhàn)也隨之而來(lái)。以磁性元件為例，元器件制造商不僅需要研發(fā)更高性能的高頻磁性材料，提高元器件性能參數(shù)，還需要提高生產(chǎn)工藝以滿足復(fù)雜多變的工藝要求，同時(shí)不斷縮小元器件尺寸。
另外，安全性能是大功率快充的一大痛點(diǎn)，保證高壓電路系統(tǒng)安全可靠應(yīng)該從元器件制造商處著手。除了提高元器件的耐壓等級(jí)與絕緣性能，元器件制造商還需要對(duì)保險(xiǎn)絲等保護(hù)器件進(jìn)行優(yōu)化，提高其分?jǐn)嗯c滅弧能力。
就國(guó)內(nèi)而言，為縮短充電時(shí)間，提高補(bǔ)能效率，推動(dòng)新能源汽車全面普及，比亞迪、小鵬、吉利、華為等主流企業(yè)紛紛入場(chǎng)，推出高壓平臺(tái)解決方案，為大功率快充應(yīng)用落地提速。預(yù)計(jì)到2026年，800V以上高壓平臺(tái)銷量將超過(guò)580萬(wàn)輛，占電動(dòng)汽車50%以上，而800V以上高壓平臺(tái)車型存量可達(dá)1,300萬(wàn)左右。
此外，電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電連接裝置國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)也已于今年初正式啟動(dòng)修訂。超級(jí)充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的修訂，意味著大功率快充正式納入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)體系，進(jìn)一步推動(dòng)國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)向大功率快充邁進(jìn)。在此標(biāo)準(zhǔn)下，充電電壓最高可達(dá)1,000V（1,500V），最大電流達(dá)600A，充電功率最高可提升至900kW，充電時(shí)間大幅縮短至10分鐘以內(nèi)。
電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)面臨全面升級(jí)
隨著新能源汽車邁入大功率快充時(shí)代，充電電壓提高至800V，甚至突破1,000V，對(duì)充電模塊轉(zhuǎn)換裝置提出了更高的要求。作為電動(dòng)汽車電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的重要組成部分，整流器、薄膜電容、磁性元件等器件在汽車充電模組中占據(jù)了較大空間比例，其性能關(guān)乎整個(gè)轉(zhuǎn)換模組的優(yōu)劣。
貿(mào)澤電子在售的超快整流器VS-E5PX6012L-N3，是一款來(lái)自Vishay的X系列1,200V第五代FRED
Pt® 整流器。從其參數(shù)來(lái)看，VS-E5PX6012L-N3的重復(fù)峰值反向電壓可達(dá)1,200V，均值正向電流的最大額定值為60A。在100Hz正弦波，殼溫為45℃條件下，正向單次浪涌電流可達(dá)420A，具有良好的抗沖擊和過(guò)電流能力。
圖2：VS-E5PX6012L-N3（圖源：Vishay）
在正向電流為60A，結(jié)溫為125℃時(shí)，VS-E5PX6012L-N3的正向壓降最大約2.1V，導(dǎo)通損耗較低；在結(jié)溫為25℃的條件下，當(dāng)反向電壓為1,200V時(shí)，該整流器的反向電流最大值僅為50μA，具有低正向壓降和低反向電流的特性。
圖3：正向壓降特性以及反向電流、反向電壓典型值（圖源：Vishay）
在正向電流為60A、反向電壓為800V時(shí)，VS-E5PX6012L-N3反向恢復(fù)時(shí)間約90ns，開(kāi)關(guān)特性良好；峰值恢復(fù)電流為32A，反向恢復(fù)電荷為1570nC，大幅降低了器件導(dǎo)通損耗及關(guān)斷損耗。
整體而言，VS-E5PX6012L-N3整流器具備低導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，是軟開(kāi)關(guān)/諧振高頻轉(zhuǎn)換器的最佳選擇。該器件專為提高PFC效率和EV/HEV電池充電站的輸出整流級(jí)、太陽(yáng)能逆變器的升壓級(jí)和UPS應(yīng)用而設(shè)計(jì)，可與MOSFET或高速IGBT完美匹配。
圖4：VS-E5PX6012L-N3動(dòng)態(tài)特性（圖源：Vishay）
同時(shí)，VS-E5PX6012L-N3采用TO-247AD
2L（單二極管）封裝，工作溫度范圍寬、高溫特性好，擁有更高的可靠性，可適應(yīng)-55℃到+175℃溫度范圍內(nèi)的不同工作環(huán)境。
與同類硅片解決方案相比，整流器的損耗降低10%。該整流器大幅提高了系統(tǒng)效率，導(dǎo)通損耗降低了10%。針對(duì)頻率范圍為50kHz的應(yīng)用，在相同的正向電壓條件下，VS-E5PX6012L-N3的開(kāi)關(guān)損耗與Qrr（反向恢復(fù)電荷）降低了超過(guò)40%，為客戶提供了更加經(jīng)濟(jì)高效的替代方案。
同樣來(lái)自制造商Vishay的MKP339
X2抗干擾薄膜電容器，在貿(mào)澤電子網(wǎng)站上的制造商編號(hào)為BFC2339xxxxx。MKP339
X2系列電容器是一款MKP（金屬化聚丙烯薄膜）徑向灌封型電容，具有損耗小、內(nèi)部溫升小、擊穿可自愈、阻燃性能良好等優(yōu)勢(shì)。
圖5：MKP339 X2抗干擾薄膜電容器（圖源：Vishay）
具體來(lái)看，如制造商編號(hào)為BFC233926224的電容器，電容值為0.22μF，容差為±20%，引線間隔為15mm，額定交流電壓值達(dá)310V，額定直流電壓值為630V。此外，此電容器工作溫度范圍在-55℃至+110℃之間，且在寬溫度范圍內(nèi)，電容值與耗散因數(shù)仍可保持高度穩(wěn)定，具有優(yōu)秀的耐高溫與高頻絕緣性能。
整體而言，MKP339
X2系列電容器的引線間距覆蓋從7.5mm到27.5mm的范圍，符合AEC-Q200標(biāo)準(zhǔn)要求。此外，MKP339
X2薄膜電容器的電容范圍為0.001μF至4.7μF，能夠滿足絕大多數(shù)高電壓、大電流及高脈沖強(qiáng)度電路的參數(shù)需求，適用于標(biāo)準(zhǔn)跨線X2應(yīng)用。與其他技術(shù)相比，MKP339
X2薄膜電容器的電容值更高，且內(nèi)部串聯(lián)結(jié)構(gòu)能夠保持電容量，延長(zhǎng)使用壽命。
圖6：薄膜、陶瓷片和多層EMI抑制電容器典型電路及安規(guī)電容器圖（圖源：Vishay）
在新能源汽車的大功率模塊應(yīng)用中，還可以使用集成模塊產(chǎn)品，在電動(dòng)交通領(lǐng)域，Bel Power
Solutions有非常高效的車載電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品，為電動(dòng)卡車、電動(dòng)大巴、電動(dòng)乘用車以及混合動(dòng)力汽車提供包括DC-DC轉(zhuǎn)換器、車載充電器和DC-AC逆變器等解決方案。
BEL的350DNC40-12-8G，就是一款適合新能源汽的隔離式DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器。350DNC40-12-8G的突出優(yōu)勢(shì)是輸出功率高且效率高，單個(gè)產(chǎn)品功率高達(dá)4kW，4個(gè)組合輸出功率最高達(dá)16kW�？蓪VDC電壓轉(zhuǎn)換為適合為低壓（12VDC/24VDC）附件供電的LVDC電壓，兼具高效率、高可靠性、低輸出電壓噪聲、出色的動(dòng)態(tài)響應(yīng)等優(yōu)勢(shì)，廣泛適用于混合動(dòng)力（HEV）汽車和電動(dòng)汽車等領(lǐng)域。
該轉(zhuǎn)換器可將240V-430V直流高壓電轉(zhuǎn)換為12V低壓直流電，輸出最大電流支持278A。同時(shí)，350DNC40-12-8G配置了CAN總線串行接口，可通過(guò)軟件調(diào)節(jié)輸出電壓平均值。350DNC40-12-8G防水等級(jí)為IP65和IP67，輸入輸出之間完全電隔離，可實(shí)現(xiàn)過(guò)溫、輸出過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)、輸入和輸出反極性保護(hù)，能夠有效降低抑制紋波，避免電磁干擾，提高整車充電系統(tǒng)安全性能。
在保證系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性的前提下，350DNC40-12-8G典型效率達(dá)到93%，通過(guò)搭載BCL25-700-8車載電池充電器，可有效縮短整車系統(tǒng)充電時(shí)間，提高整車?yán)m(xù)航里程。
圖7：350DNC40-12系列降壓轉(zhuǎn)換器（圖源：Bel Power Solutions）
此外，Bel Power
Solutions還為350DNC40-12-8G搭配了相應(yīng)的接插件套件350DNC40-CON-KIT-9G，配套使用350DNC40-CON-KIT-9G，為350DNC40-12-8G的可靠性與安全性提供了更佳保障。
構(gòu)筑完善的高壓安全架構(gòu)
對(duì)于大功率快充而言，其工作電壓遠(yuǎn)高于安全電壓，放電電流也高達(dá)數(shù)十安，乃至上百安，一旦發(fā)生過(guò)載、短路或漏電等情況，將會(huì)對(duì)整車系統(tǒng)或器件造成熱損傷、絕緣破壞，甚至發(fā)生起火、爆炸或人身傷亡事故。因此，如何保障動(dòng)力電池系統(tǒng)和高壓系統(tǒng)安全可靠，優(yōu)化高壓系統(tǒng)安全回路設(shè)計(jì)，逐漸成為當(dāng)前主流車企亟待解決的難題。
面向高壓電路系統(tǒng)，通過(guò)在回路中配置熔斷器/保險(xiǎn)絲、NTC熱敏電阻等器件，可實(shí)現(xiàn)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，在電路發(fā)生過(guò)電流、過(guò)電壓或過(guò)溫的情況下，能夠快速切斷電路、熄滅電弧，從而確保整車系統(tǒng)安全及人身安全。
貿(mào)澤在售的來(lái)自Bel
Fuse的快斷式保險(xiǎn)絲0ADAC0600-BE，采用了6.3mm x 32mm緊湊型封裝，外形纖薄體積小，有助于整車安全系統(tǒng)小型化設(shè)計(jì)。
圖8：快斷式保險(xiǎn)絲0ADAC0600-BE（圖源：Bel Fuse）
0ADAC0600-BE的額定電壓為600VAC/DC，額定電流為0.6A，分?jǐn)嗄芰Ω哌_(dá)10kA，在過(guò)載或短路時(shí)擁有非常快速的響應(yīng)速度，10倍額定電流時(shí)可在0.001至0.01秒之內(nèi)斷開(kāi)電路。
此外，該保險(xiǎn)絲還采用陶瓷材料制備，能夠在電流過(guò)載時(shí)快速切斷發(fā)生故障的子系統(tǒng)，保證其余子系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，為高能量和大功率應(yīng)用提供過(guò)電流安全保護(hù)，極大地減少了因電氣故障引發(fā)的整機(jī)癱瘓。
圖9：保險(xiǎn)絲時(shí)間電流曲線（圖源：Bel Fuse）
整體而言，0ADAC0600-BE保險(xiǎn)絲在高壓系統(tǒng)中的快速分?jǐn)嗄芰Γ陔妱?dòng)汽車高壓快充應(yīng)用中極具優(yōu)勢(shì)。因此，在汽車DC/DC轉(zhuǎn)換模塊、功率逆變器等應(yīng)用領(lǐng)域，0ADAC0600-BE保險(xiǎn)絲可提供穩(wěn)定可靠的安全保護(hù)功能。
總結(jié)
從成本與技術(shù)角度來(lái)看，大功率高壓快充正逐步成為新能源汽車的標(biāo)配，眾多主流車企相繼推出800V高壓平臺(tái)架構(gòu)，并加速向1,000V甚至更高電壓架構(gòu)演進(jìn)升級(jí)。大功率快充趨勢(shì)之下，整車系統(tǒng)及充電樁所配置的半導(dǎo)體元器件都需要重新選型，以適配高壓系統(tǒng)對(duì)器件耐壓等級(jí)、耐高溫、絕緣、低損耗等方面的更高需求。
作為全球領(lǐng)先的電子元件分銷商，貿(mào)澤電子提供了豐富多元的磁性元件、整流器、薄膜電容、保護(hù)元件等器件品類，能夠滿足大功率快充全部的元器件升級(jí)替換需求，幫助車企用更低的總體擁有成本實(shí)現(xiàn)更為安全可靠、靈活高效的汽車架構(gòu)升級(jí)目標(biāo)。
關(guān)于貿(mào)澤電子
貿(mào)澤電子（Mouser
Electronics）是一家全球授權(quán)半導(dǎo)體和電子元器件授權(quán)分銷商，服務(wù)全球廣大電子設(shè)計(jì)群體。貿(mào)澤電子原廠授權(quán)分銷近1,200家知名品牌，可訂購(gòu)數(shù)百萬(wàn)種在線產(chǎn)品，為客戶提供一站式采購(gòu)平臺(tái)，歡迎關(guān)注我們，獲取第一手的設(shè)計(jì)與產(chǎn)業(yè)資訊信息！
