换电与充电并存

在电动车发展的过程当中，充电和换电是两个同时存在的方案。车载充电OBC可以通过两相或三相电给汽车充电，但其无法满足快充的需求。现在充电桩发展迅速，已经有600kW的超充出现，充电速度越来越逼近换电速度，但对电网压力很大，还需要时间普及。换电则采取另外的方式，古代加急文书传递时，士兵在驿站更换体力充沛的马匹继续前行就是这种理念。动力电池作为电动汽车当中最昂贵的部件，其可靠性至关重要，部分车主不太能接受随意更换动力电池的方式。而接受换电方式的用户则可以提前享受到接近油车加油时间的使用感受。相信两个模式还会在一段时间内同时存在，直到极速充电得到普及。关于充电和换电的优缺点，一直是网上的争论热点。今天来谈一谈换电站中充电电路设计，以及安森美(onsemi)碳化硅模块给电路设计带来的优势。

充电站电路结构

1. PFC

充电站中的充电电路部分功能与功率范围和直流充电桩类似，作用是用电网

图1 6开关三相PFC线路

图3 I-NPC三相PFC线路

6开关电路简洁，直接支持双向工作，但需要较高耐压能力的功率器件。

T-NPC或I-NPC则可以选择较低电压的主动开关器件，但若要有双向工作能力，则需要将图中的部分二极管替换为主动开关器件MOS或IGBT。

在汽车相关的电路设计当中，可靠性至关重要。6开关三相PFC电路，拥有最简洁的电路设计，如果是双向的设计则更加明显。在1200伏SIC MOSFET已经大批量应用在汽车电路设计的情况下，这种架构无疑是非常有吸引力的，特别是双向设计中。充电站中的电路设计需要更多考虑效率，因其整个生命周期的电路运行时间很长，设计上以效率为优先可以节约更多电能降低电费。因此碳化硅器件是优先的选择，尤其是对开关性能要求比较高的PFC部分。考虑到充电站的功率往往都比较大，单管并联的方案面临比较大的设计挑战，其整体可靠性设计也相当困难。而模块方案则简化了整体的设计，可靠性优势巨大。

图5 双向设计的CLLC 电路结构

充电站一般要求兼容800V和400V电池，DC-DC次级可以分成两个线圈来通过串联或并联来对应800V或400V电池。这样可以大大降低设计的负载电压范围，实现在更靠近理想工作点来工作，进而提升效率节约电费。

虽然LLC和CLLC是谐振电源，其对开关器件的开关性能要求没有PFC级那样严格，但SIC MOSFET依然有很大优势。首先，电池的电压在充电过程中一直在变动，LLC的原边并非能一直在理想工作点附近工作，SIC MOSFET的开关能力依然有优势。其次，整流一侧的整流管要求好的开关性能，在充电器是双向工作的电路设计中，原边和副边都会在某一个模式下当作整流管使用，单向设计中，副边始终是整流模式。SIC MOSFET的体二极管拥有很好的开关性能，可以更好的胜任整流工作的需求，降低关断时反向恢复电流带来的影响。

图7 采用1200V SIC MOSFET设计带来的简化

安森美拥有不同类型的碳化硅模块产品，适应不同电路结构的设计，今天介绍的三相6开关PFC和LLC、CLLC结构非常适合采用1200V 半桥SIC MOSFET模块。其提供简单的电路结构，和天然的双向工作能力，第三代M3S SIC MOSFET技术赋予其高效的性能。包括两款(NXH003P120M3F2PTHG/NXH004P120M3F2PTHG)，采用标准F2封装，具有出色的Rds(on)。M3S技术专为高速开关应用而开发，在开关损耗、Coss和Eoss方面具有优异的品质。

另外安森美提供新的Elite Power仿真工具，通过创新的PLECS模型实现了技术突破，对于硬开关和软开关应用（例如LLC和CLLC谐振、双有源桥和移相全桥等）都适用。该工具能够精确呈现电路在使用我们的EliteSiC产品系列时的工况。

下面是F2封装的SIC MOSFET 模块内部结构图和外观图以及半桥类1200V SIC模块的选型表。这些产品可以涵盖25KW到100KW的功率范围，提供简洁的设计和高效率高可靠的快速充电整机性能。

图9 SICMOS半桥模块选型