“OBC系統解決方案設計指南”又上新了，第一篇文章介紹了系統用途、系統實施方法、系統說明、市場趨勢和標準等，本文將繼續介紹解決方案概述及拓撲。

解決方案概述

用于高壓應用 (OBC) 的集成 APM16 模塊

該 APM16 系列（APM = 汽車功率模塊）采用硅超級結 MOSFET 和硅或碳化硅二極管技術的組合，為 PFC 級、原邊 DCDC 級以及副邊整流邊提供了多種解決方案。APM16 模塊能夠支持 400VDC 電池系統。

與分立式解決方案相比，使用 APM16 模塊技術的優勢在于縮小外形尺寸、改進散熱設計、降低雜散電感、減少內部鍵合電阻、提高電流能力、改善 EMC 性能并提高可靠性。

這些器件符合 IEC-60664-1 標準，可實現高達 VAC 5kV/1sec 的功能性強化隔離。APM16 模塊符合 AECQ-101 和 AQG-324（汽車模塊標準）。APM16 設計可利用 onsemi 柵極驅動器和電流檢測放大器來完善 OBC 功率變換解決方案。

用于高壓應用 (OBC) 的集成 APM32 模塊

該 APM32 系列（APM = 汽車功率模塊）集成了 1200V 碳化硅器件，可用于 800V 電池系統和更大功率的 OBC。Vienna 整流器模塊采用 1200 V 80 mΩ 碳化硅 MOSFET 以及碳化硅二極管和硅二極管。雙半橋模塊，采用了安裝在不同基板上的 1200 V 40 mΩ (80 mΩ) 碳化硅 MOSFET。以下為關于采用 1200V 碳化硅模塊的應用說明，以及在電氣和熱性能以及功率密度方面的優勢。

APM 封裝技術為內部設計和制造，因此可以更有效地控制熱優化（而非像某些競品那樣外包）。onsemi 還提供靈活的封裝和制造選項，允許客戶購買裸芯片、分立器件或模塊。

碳化硅 MOSFET、硅超級結 MOSFET 與 IGBT 的比較

碳化硅 MOSFET 可用于 PFC、原邊 DCDC 和副邊整流（雙向），是800VDC 電池系統中所推薦的產品。該技術可實現相較于 IGBT 或硅超級結 MOSFET 的最高效率和功率密度。 在眾多采用碳化硅 MOSFET 的設計中，可能會有混合解決方案，即 OBC 的某些功率級也可能使用 IGBT 或硅超級結 MOSFET。

在 400VDC 電池系統中，如果采用傳統的升壓型或交錯升壓型拓撲結構，碳化硅 MOSFET 的效率可提高 0.2% - 0.5%；如果用于原邊 DCDC 或副邊整流（雙向），則可提高功率密度和效率。 當碳化硅 MOSFET 用于效率對降低熱負荷至關重要的更高功率等級時，可能會帶來更大的效益。

建議對 800VDC 電池系統使用 1200V 碳化硅 MOSFET ，對 400VDC 電池系統使用 650V 碳化硅 MOSFET。當使用圖騰柱 PFC 時，碳化硅 MOSFET 技術是一種適用于任何電池電壓的推薦解決方案。

硅超級結 MOSFET可用于 PFC、原邊 DCDC 和副邊整流（雙向）。在傳統的升壓、無橋升壓和 Vienna 整流器設計中，硅超級結 MOSFET 可很好地實現 PFC，但在圖騰柱 PFC 中使用時則效果不佳。硬開關圖騰柱 PFC 的劣勢體現在體二極管的反向恢復損耗以及無法在連續導通模式下工作。與 IGBT 相比，硅超級結 MOSFET 具有更高的開關速度和效率。 對于標稱電壓為 400VDC 的 OBC 電池，650V 硅超級結 MOSFET 非常適合雙向設計中的原邊整流和副邊整流。

IGBT 可用于 PFC 和原邊 DCDC。IGBT 沒有內置體二極管，需要在內部封裝一個二極管或并聯一個外部二極管。混合型 IGBT 的封裝中包含一個碳化硅二極管。

對于 PFC，IGBT 可用于大多數拓撲結構，且即使“高速”管采用了其他技術，也可用于圖騰柱 PFC 的“低速”管。當考慮到原邊 DCDC 轉換的成本時，IGBT 可用于功率等級較低的設計方案。

與硅超級結 MOSFET 或碳化硅 MOSFET 相較之下，較慢的開關速度和較低的效率將必須在設計的可接受范圍之內。IGBT 也可用于低功率等級雙向設計中的副邊整流，但由于開關損耗較高（與硅超級結或碳化硅 MOSFET 相比），因此并不常用。

硅二極管與碳化硅二極管的比較

硅二極管可用于 400V 電池系統中的 OBC PFC 級和副邊整流（單向設計）。碳化硅二極管具有功率密度大、額定電壓高、無反向恢復損耗等優點，因此可作為 800V 電池系統的理想選擇。碳化硅二極管還可在更低的電壓下運行，以提高效率。

柵極驅動器和數字隔離

多種隔離柵極驅動器集成電路解決方案適用于碳化硅 MOSFET (NCV51705 / NCV51561C/D)、IGBT (NCV57xxx) 和硅超級結 MOSFET（NCV51561A/B、NCV511xx）。不斷推出的具有電氣隔離能力的柵極驅動器還進一步優化了傳播延遲和 CMTI 較高的問題。

隔離策略因客戶而異，NCIV9xxx 系列數字隔離器可用于進一步滿足通信線路上的這些要求。

各式各樣的柵極驅動器評估板組合有助于實現快速原型開發。如需了解任何解決方案中我們的柵極驅動器測試：柵極驅動器即插即用生態系統 [SECO-GDBB-GEVB]

隔離式雙通道柵極驅動器 NCV51561

帶 NCV1362 控制器的碳化硅輔助電源

輔助電源

反激式 DCDC 拓撲形式的隔離電源可通過 NCV1362 控制器提供隔離電源，然后為 SBC 或分立式 LDO 電源 IC 供電。它可提供 20W 至 40W 的輸出功率。對于 12V VBUS 的輔助電源，onsemi 可提供 NCV898031 反激式控制器 IC，其需要搭配光耦解決方案使用。

系統基礎芯片 (SBC) 根據客戶要求進行優化，可滿足客戶在通信、功率和特定功能等方面的需求。客戶還可從熱門應用的標準化 SBC 列表中進行選取。像 NCV7471C 或 NCV745x 這類 SBC 結合了系統電源排序、通信總線接口要求以及可提供 5V 電壓軌的內置 DC/DC 轉換器等功能。

使用 NCV8170/ NCV816x 或 NCV87xx 等 LDO 可產生額外的電壓軌。為了進一步優化與柵極驅動器有關的噪聲問題，NCV3064 控制器可用于為所要求的開關技術生成隔離軌。onsemi 可提供廣泛的產品組合，具有低至 4.4uVrms 的極低 RMS 噪聲、超過 90dB 的出色 PSRR、極低 Iq 和 150°C 結溫額定值。同時做到與市面主流器件封裝兼容，并具備電源就緒 (PG) 引腳。

模擬信號鏈

NCV2191x 或 NCV20xxx 運算放大器可用于電壓測量，而 NCV21xR 電流檢測放大器可用于高壓應用中的低側電流檢測。對于低側傳感應用，共模范圍為 -0.3V 至 +26V。若要在負電壓側實現更大的容差范圍，則應考慮 NCV7041 系列，其共模輸入范圍為 -5.0V 至 +80V（增益選項為 14、20、50 和 100）。

NCV225x 比較器與 NVT211 溫度傳感器和 NCV431 并聯電壓基準配合使用，可實現對各種系統信息的高精度監測。務必選擇具有合適帶寬、偏置和所需漂移的放大器。

IVN 和 CAN ESD 保護

onsemi 一直在為車主客戶開發 CAN 和 CAN-FD 器件。這些產品已通過所有主要汽車原始設備制造商的認證，可提供面向 LIN、CAN、CAN-FD 和 FlexRay 的完整產品組合。

CAN 和 CAN-FD 收發器（如NCV734x）以及即將推出的 隔離式 CAN 均可供選擇。

通信接口線路應采用 SZNUP2124 和 SZNUP2125 等器件，以避免瞬態事件的發生。

機械和散熱考量

機械封裝限制可能會影響電氣元件在高度、重量等方面的選擇面。無論是使用空氣還是液體冷卻，都應將對熱管理的考量提升到系統層面。

務必要重視材料和元件封裝的選擇，以有效協助熱管理。請參閱 onsemi APM 應用說明 ，了解更多有關提高熱性能的信息。

解決方案概述 - 方框圖

用于 400V 電池架構的車載充電器

電動汽車充電的系統級示意圖

充電站有三種類別或“等級”。1 級和 2 級充電站可將交流電輸送到車載充電器，以適當的輸出電流和電壓為直流電池充電。3 級充電站是“車外”直流充電站，可繞過車輛的 OBC，直接向車輛電池提供高達 400 A 的高壓直流電。

推薦產品

安森美（onsemi）還提供了一系列開發工具和資源，包括產品推薦工具、WebDesigner+、Strata Developer Studio、仿真 SPICE 模型、交互式方框圖、評估和開發工具、Elite Power Simulator、自助式 PLECS 模型生成器。

解決方案概述 - 拓撲

功率因數校正 (PFC) 拓撲

典型的 OBC 功率因數校正 (PFC) 解決方案因電網輸入交流相數和 OBC 設備的輸出功率等級 [kW] 而異。OBC 中的 PFC 有多種不同的解決方案，我們將列出其中最常見的示例。

對于單相交流輸入 OBC 模塊，可采用傳統升壓、無橋升壓或圖騰柱（均可選配多通道交錯式解決方案）。最可行的交錯式解決方案是雙通道。3 通道交錯也較為可行，但成本效益可能較低。 如果設計是雙向的，則 PFC 級將采用圖騰柱拓撲結構。

對于 3 相 OBC 模塊，可采用 Vienna 整流器和 3 或 4 橋臂橋式 PFC（圖騰柱）拓撲結構。3 相全橋 PFC 適用于有 3 相輸入但無中性點的模塊，而 4 橋臂 PFC 則有 3 相輸入（3 組快管）和一個中性點（第 4 組“慢”管）。快管和慢管可在不同的頻率下相互切換。如果設計是雙向的，則最具成本效益的 PFC 級將是圖騰柱拓撲結構。

傳統升壓 PFC

功率因數校正 (PFC) 拓撲（續）

傳統升壓 2 通道交錯式 PFC

無橋升壓 PFC

圖騰柱 PFC

圖騰柱 2 通道交錯式 PFC

3 或 4 橋臂/圖騰柱 PFC

Vienna 整流器 PFC（或其他拓撲）

原邊 DCDC 拓撲

原邊 DCDC 轉換通常采用 LLC、CLLC 或移相全橋 (PSFB) 拓撲實現。 另一個可能會出現的拓撲是雙有源電橋 (DAB)，但它實際上包括原邊和副邊整流，用于雙向設計。 對單向系統來說最常見的解決方案是 LLC，而雙向系統則是 CLLC。 某些雙向設計可能使用 PSFB 或其他拓撲。碳化硅 MOSFET 和硅超級結 MOSFET 可用于原邊整流的所有不同場景，但 IGBT 僅推薦用于 PSFB 拓撲。制定每種解決方案時都需要在成本與效益之間進行權衡，下表總結了其中一些考量因素。

對于 400VDC 系統，設計方案中可采用任何 650V 技術（硅超級結 MOSFET、碳化硅 MOSFET、IGBT）。OBC 的成本和效率目標是影響決策的主要因素。

對于 800VDC 系統，1200V 碳化硅 MOSFET 最為常見，但如果 VBUS 是多電平結構（400VDC + 400VDC），也可使用硅超級結 MOSFET。

無論采用哪種方法（LLC、CLLC、PSFB、DAB），原邊整流幾乎都采用某種形式的全橋開關。因此，雖然元件和變壓器可能有所不同，但 4 開關是原邊 DCDC 轉換中最常見的方法。

原邊整流拓撲

原邊整流 - 全橋 LLC

注意：還有其他控制拓撲結構，但原邊上普遍要求全橋。

副邊整流拓撲

在變壓器的副邊，最簡單的解決方案是使用二極管橋進行整流。 只要設計是單向的（僅從電網到車輛）就可行。根據所需的系統效率、輸出電壓和系統成本，這些二極管可以是硅二極管或碳化硅二極管。 碳化硅二極管是 800V 電池或需要實現更高效率的系統的最佳選擇（碳化硅二極管具有無反向恢復的特性）。在單向設計中，使用硅或碳化硅 MOSFET 的全橋解決方案可提高系統效率，但運行成本較高。

對于雙向 OBC 設計：雙向功能需要采用硅或碳化硅 MOSFET 全橋。IGBT 開關損耗通常會阻礙這種技術在副邊（更高功率等級）的應用。 硅 MOSFET 可用于 400V 電池系統，但在低負載時會出現效率下降的問題。 碳化硅 MOSFET 在 400VDC（650V 碳化硅 MOSFET）和 800VDC（1200V 碳化硅 MOSFET）電池系統中均能提供優越的效率，因此 1200V 碳化硅 MOSFET 毫無疑問是 800VDC 電池系統的首選。

副邊整流拓撲結構（續）

副邊整流二極管橋 - 僅單向（電網至車輛）

副邊整流 4 開關全橋 - 雙向（電網至車輛和車輛至電網）