【導讀】在電動化趨勢推動之下，新能源汽車產(chǎn)業(yè)拾級而上，燃油車全面退出已成為不可逆轉的趨勢。EV Volumes數(shù)據(jù)顯示，2021年全球新能源汽車銷量為675萬輛，同比增長108%，滲透率突破8.3%。顯而易見，隨著新能源汽車“三電系統(tǒng)”，電池、電驅、電控等技術在創(chuàng)新升級中逐步完善，新能源汽車市場滲透率將大幅提升，逐漸完成“政策驅動”向“市場驅動”的過渡。
圖1：2012-2021全球新能源汽車市場趨勢
（圖源：EV Volumes）
新能源汽車市場潛力廣闊，但長期以來，續(xù)航里程短、充電時間長、電池安全性等問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、提高補能效率、縮短充電時間逐漸成為突破瓶頸的切入點。
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汽車里程焦慮的途徑之一。對于新能源汽車而言，升級大功率快充牽一發(fā)動全身，勢必帶動著半導體元器件的替換與升級。
在高壓、大電流架構之下，無論是整車系統(tǒng)還是充電樁、電池、電驅、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)高壓架構來調(diào)整。功率半導體需具備更高耐壓等級和開關損耗，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器件為例，說明大功率超級快充如何影響電動汽車充電系統(tǒng)的元器件選擇。
大功率快充帶動整車元器件全面升級
業(yè)界普遍認為，大功率快充要求充電電流大于2C，充電時間小于30分鐘，而其實現(xiàn)方式無外乎提高電流或提升電壓兩種。低壓大電流模式將會增加電氣系統(tǒng)發(fā)熱量，對散熱技術、線束標準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。高壓技術路線則可降低熱損耗、減輕整車質(zhì)量、優(yōu)化動力結構、提高安全性能，從而成為提升充電速率的最佳選擇。
通過大功率快充，充電產(chǎn)生的熱量將大幅提高，對元器件耐壓等級、絕緣性能、開關損耗、抗高溫性能等方面提出了更高的要求。對于元器件制造商而言，挑戰(zhàn)也隨之而來。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)工藝以滿足復雜多變的工藝要求，同時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，保證高壓電路系統(tǒng)安全可靠應該從元器件制造商處著手。除了提高元器件的耐壓等級與絕緣性能，元器件制造商還需要對保險絲等保護器件進行優(yōu)化，提高其分斷與滅弧能力。
就國內(nèi)而言，為縮短充電時間，提高補能效率，推動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，推出高壓平臺解決方案，為大功率快充應用落地提速。預計到2026年，800V以上高壓平臺銷量將超過580萬輛，占電動汽車50%以上，而800V以上高壓平臺車型存量可達1,300萬左右。
此外，電動汽車傳導充電連接裝置國家標準也已于今年初正式啟動修訂。超級充電技術標準的修訂，意味著大功率快充正式納入國家標準體系，進一步推動國內(nèi)電動汽車產(chǎn)業(yè)向大功率快充邁進。在此標準下，充電電壓最高可達1,000V（1,500V），最大電流達600A，充電功率最高可提升至900kW，充電時間大幅縮短至10分鐘以內(nèi)。
電源轉換系統(tǒng)面臨全面升級
隨著新能源汽車邁入大功率快充時代，充電電壓提高至800V，甚至突破1,000V，對充電模塊轉換裝置提出了更高的要求。作為電動汽車電源轉換系統(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，其性能關乎整個轉換模組的優(yōu)劣。
貿(mào)澤電子在售的超快整流器VS-E5PX6012L-N3，是一款來自Vishay的X系列1,200V第五代FRED Pt? 整流器。從其參數(shù)來看，VS-E5PX6012L-N3的重復峰值反向電壓可達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420A，具有良好的抗沖擊和過電流能力。
圖2：VS-E5PX6012L-N3
（圖源：Vishay）
在正向電流為60A，結溫為125℃時，VS-E5PX6012L-N3的正向壓降最大約2.1V，導通損耗較低；在結溫為25℃的條件下，當反向電壓為1,200V時，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，VS-E5PX6012L-N3反向恢復時間約90ns，開關特性良好；峰值恢復電流為32A，反向恢復電荷為1570nC，大幅降低了器件導通損耗及關斷損耗。
整體而言，VS-E5PX6012L-N3整流器具備低導通損耗和開關損耗的獨特優(yōu)勢，是軟開關/諧振高頻轉換器的最佳選擇。該器件專為提高PFC效率和EV/HEV電池充電站的輸出整流級、太陽能逆變器的升壓級和UPS應用而設計，可與MOSFET或高速IGBT完美匹配。
圖4：VS-E5PX6012L-N3動態(tài)特性
（圖源：Vishay）
同時，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-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，導通損耗降低了10%。針對頻率范圍為50kHz的應用，在相同的正向電壓條件下，VS-E5PX6012L-N3的開關損耗與Qrr（反向恢復電荷）降低了超過40%，為客戶提供了更加經(jīng)濟高效的替代方案。
同樣來自制造商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。
圖5：MKP339 X2抗干擾薄膜電容器
（圖源：Vishay）
具體來看，如制造商編號為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標準要求。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、大電流及高脈沖強度電路的參數(shù)需求，適用于標準跨線X2應用。與其他技術相比，MKP339 X2薄膜電容器的電容值更高，且內(nèi)部串聯(lián)結構能夠保持電容量，延長使用壽命。
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用中，還可以使用集成模塊產(chǎn)品，在電動交通領域，Bel Power Solutions有非常高效的車載電源轉換產(chǎn)品，為電動卡車、電動大巴、電動乘用車以及混合動力汽車提供包括DC-DC轉換器、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降壓轉換器。350DNC40-12-8G的突出優(yōu)勢是輸出功率高且效率高，單個產(chǎn)品功率高達4kW，4個組合輸出功率最高達16kW?？蓪VDC電壓轉換為適合為低壓（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、出色的動態(tài)響應等優(yōu)勢，廣泛適用于混合動力（HEV）汽車和電動汽車等領域。
該轉換器可將240V-430V直流高壓電轉換為12V低壓直流電，輸出最大電流支持278A。同時，350DNC40-12-8G配置了CAN總線串行接口，可通過軟件調(diào)節(jié)輸出電壓平均值。350DNC40-12-8G防水等級為IP65和IP67，輸入輸出之間完全電隔離，可實現(xiàn)過溫、輸出過壓和過流保護、輸入和輸出反極性保護，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典型效率達到93%，通過搭載BCL25-700-8車載電池充電器，可有效縮短整車系統(tǒng)充電時間，提高整車續(xù)航里程。
圖7：350DNC40-12系列降壓轉換器
（圖源：Bel Power Solutions）
此外，Bel Power Solutions還為350DNC40-12-8G搭配了相應的接插件套件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。
構筑完善的高壓安全架構
對于大功率快充而言，其工作電壓遠高于安全電壓，放電電流也高達數(shù)十安，乃至上百安，一旦發(fā)生過載、短路或漏電等情況，將會對整車系統(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)安全回路設計，逐漸成為當前主流車企亟待解決的難題。
面向高壓電路系統(tǒng)，通過在回路中配置熔斷器/保險絲、NTC熱敏電阻等器件，可實現(xiàn)溫度實時監(jiān)測與控制，在電路發(fā)生過電流、過電壓或過溫的情況下，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)澤在售的來自Bel Fuse的快斷式保險絲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)小型化設計。
圖8：快斷式保險絲0ADAC0600-BE
（圖源：Bel Fuse）
0ADAC0600-BE的額定電壓為600VAC/DC，額定電流為0.6A，分斷能力高達10kA，在過載或短路時擁有非?？焖俚捻憫俣?，10倍額定電流時可在0.001至0.01秒之內(nèi)斷開電路。
此外，該保險絲還采用陶瓷材料制備，能夠在電流過載時快速切斷發(fā)生故障的子系統(tǒng)，保證其余子系統(tǒng)能夠正常運行，為高能量和大功率應用提供過電流安全保護，極大地減少了因電氣故障引發(fā)的整機癱瘓。
圖9：保險絲時間電流曲線
（圖源：Bel Fuse）
整體而言，0ADAC0600-BE保險絲在高壓系統(tǒng)中的快速分斷能力，在電動汽車高壓快充應用中極具優(yōu)勢。因此，在汽車DC/DC轉換模塊、功率逆變器等應用領域，0ADAC0600-BE保險絲可提供穩(wěn)定可靠的安全保護功能。
總結
從成本與技術角度來看，大功率高壓快充正逐步成為新能源汽車的標配，眾多主流車企相繼推出800V高壓平臺架構，并加速向1,000V甚至更高電壓架構演進升級。大功率快充趨勢之下，整車系統(tǒng)及充電樁所配置的半導體元器件都需要重新選型，以適配高壓系統(tǒng)對器件耐壓等級、耐高溫、絕緣、低損耗等方面的更高需求。
作為全球領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、保護元件等器件品類，能夠滿足大功率快充全部的元器件升級替換需求，幫助車企用更低的總體擁有成本實現(xiàn)更為安全可靠、靈活高效的汽車架構升級目標。
來源：貿(mào)澤電子
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