400V 和 800V 电动汽车架构的车载充电机有何不同?

在电动汽车的400V和800V系统架构下,车载充电机(OBC)的设计存在着显著差异,从 400V升级到 800V OBC会直接影响 OBC 中的功率器件、拓扑结构、散热、安全隔离、效率和成本等的选择。

接下里我们主要讨论以下几个方面:

一、半导体器件

400V EV OBC允许使用成熟的 Si MOSFET,其典型标准额定电压为 650V。然而,对于 800V EV OBC,该 MOSFET 额定电压必须增加,因为需要 1200V 的阻断电压能力。

宽带隙 (WBG) 器件,例如基于 SiC MOSFET,凭借其 1200V 额定电压,正逐渐成为成功的替代方案。SiC MOSFET 相较于 Si MOSFET 的优势包括更高的击穿电压、更低的导通电阻、更佳的散热性能以及更高的开关频率。

目前有很多SiC MOSFET可以选择,比如ON、ST、英飞凌等等。同时,GaN凭借其卓越的开关频率, 也正在迅速与 SiC 技术展开竞争,目前几乎所有的OBC厂家都在进行GaN相应产品的预演开发。

当 800 V 车载充电器 (OBC) 连接到 120 V 或 240 V 电网时,交流/直流转换器级中的二极管或者MOSFET必须具备更高的额定电压,以应对更高的母线电压。与 400V 车载充电器 (OBC) 相比,二极管或者MOSFET所需的额定电压增加了一倍。然而,即使二极管或者MOSFET所需的额定电压增加,也并不意味着损耗会增加。

在 800 V 车载充电器 (OBC) 中,变压器匝数比通常会加倍,以补偿更高的电池电压。这种调整会使变压器次级绕组中的电流减半,并将变压器总铜损降低一半。流经次级绕组的电流的降低也降低了二极管桥的功率损耗。

适用于 800 V OBC 的二极管桥可以具有比 400 V OBC 更低的内阻,从而降低传导损耗。比如ST的 STPSC2006CW (600 V) 和 STPSC15H12 (1200 V) SiC 二极管,其中后者的内阻为 66 mΩ,而前者的额定内阻为 84 mΩ。

图一、显示了额定电压在400至800 V之间的各种逆变器和电机组合中二极管和MOSFET导通损耗的差异(图片:IEEE)

从上图可以看到,800 V OBC/800 V逆变器组合中的二极管和传导损耗小于其他OBC-逆变器组合。

二、控制芯片(MCU/DSP)

在选择更高电压的电动汽车动力系统时,MCU/DSP是车载充电器 (OBC) 中经常被忽视的组件。虽然 400 V OBC 电动汽车动力系统使用的 MCU/DSP 似乎可以用于 800 V OBC 电动汽车动力系统,但MCU/DSP 必须配备更高分辨率的 ADC。

但在我们讨论电动汽车的 MCU 之前,很明显,内燃机汽车中使用的传统 MCU 不能用于电动汽车,如下图 所示。随着需要更高开关频率的 WBG 器件的出现,对电动汽车使用的复杂 MCU 的需求明显增加。

图2、电动汽车中WBG器件的开关频率更高,需要能够生成高频PWM信号的MCU(图片:embedded.com)

在 OBC 中,MCU 在控制PFC和 LLC 部分方面发挥着重要作用。在这两个部分中,转换器的输入或输出都可能需要处理 800 V 的电压。

因此,当电压从 400 V 升至 800 V 时,ADC 必须具有更高的分辨率,才能高效控制输入半导体开关的 PWM 信号。此外,MCU 的更高分辨率ADC (例如Stellar E1的 12 位分辨率)也能实现高效的电压和电流感应。如图3所示。

图3、OBC)中的 MCU,用于控制 PFC 和 LLC 部分(图片:ST)

三、变压器

800V OBC 的变压器匝数比 (n=N2/N1) 通常比 400 V OBC 的匝数比高出一倍。这种调整对于补偿更高的电池电压并保持初级侧相似的电压和电流波形至关重要。

次级电流幅值减半,允许使用更细的次级绕组。横截面积的减小有助于绕组更好地融入磁芯窗口,并降低传导损耗。然而,有研究表明,由于磁通密度保持不变,变压器的铁损不会受到显著影响。

四、拓扑结构

传统的400V系统大多采用双交错Boost PFC或图腾柱PFC+双向CLLC的结构;而800V系统采用三相六开关(车载电源)以及三电平VIENNA(充电桩等) 等,主要差异也体现在PFC这块。

五、结论

电动汽车的快速和超快速充电需求促使电动汽车主机厂在车载充电器 (OBC) 中引入更高的功率。虽然提高现有 400V OBC 的功率密度仍在研究中,但 800V OBC 为支持更快的电动汽车充电开辟了新的机遇。

尽管如此,仍需注意WBG半导体开关、控制芯片和变压器等词差异。比如MCU必须具有更高的ADC分辨率,才能支持800V OBC的宽电压幅值 的要求。

当然了,400V与800的电气安全(电气间隙和爬电距离)的要求差异也很大;成本的差异也会比较大。