大功率超级快充来袭，哪些元器件需要更换？
作者：Doctor M
在电动化趋势推动之下，新能源汽车产业拾级而上，燃油车全面退出已成为不可逆转的趋势。EV Volumes数据显示，2021年全球新能源汽车销量为675万辆，同比增长108%，渗透率突破8.3%。显而易见，随着新能源汽车“三电系统”，电池、电驱、电控等技术在创新升级中逐步完善，新能源汽车市场渗透率将大幅提升，逐渐完成“政策驱动”向“市场驱动”的过渡。
图1：2012-2021全球新能源汽车市场趋势（图源：EV Volumes）
新能源汽车市场潜力广阔，但长期以来，续航里程短、充电时间长、电池安全性等问题仍然掣肘着新能源汽车的发展。为此，主流车企积极寻求破局之道，提升电池容量、提高补能效率、缩短充电时间逐渐成为突破瓶颈的切入点。
理论上，在带电量相同的情况下，充电功率越高，充电速度就越快。因而，提高充电功率成为有效化解电动汽车里程焦虑的途径之一。对于新能源汽车而言，升级大功率快充牵一发动全身，势必带动着半导体元器件的替换与升级。
在高压、大电流架构之下，无论是整车系统还是充电桩、电池、电驱、PTC辅助、空调系统等需要重新适配，充电枪、线束、接触器和熔断器等也需根据高压架构来调整。功率半导体需具备更高耐压等级和开关损耗，磁性元件也朝着高功率、小尺寸、模块化方向发展。本文将以磁性元件和保护器件为例，说明大功率超级快充如何影响电动汽车充电系统的元器件选择。
大功率快充带动整车元器件全面升级
业界普遍认为，大功率快充要求充电电流大于2C，充电时间小于30分钟，而其实现方式无外乎提高电流或提升电压两种。低压大电流模式将会增加电气系统发热量，对散热技术、线束标准以及空间都提出了更高要求，提升至600A已是极限，难以满足更为快速的充能需求。高压技术路线则可降低热损耗、减轻整车质量、优化动力结构、提高安全性能，从而成为提升充电速率的最佳选择。
通过大功率快充，充电产生的热量将大幅提高，对元器件耐压等级、绝缘性能、开关损耗、抗高温性能等方面提出了更高的要求。对于元器件制造商而言，挑战也随之而来。以磁性元件为例，元器件制造商不仅需要研发更高性能的高频磁性材料，提高元器件性能参数，还需要提高生产工艺以满足复杂多变的工艺要求，同时不断缩小元器件尺寸。
另外，安全性能是大功率快充的一大痛点，保证高压电路系统安全可靠应该从元器件制造商处着手。除了提高元器件的耐压等级与绝缘性能，元器件制造商还需要对保险丝等保护器件进行优化，提高其分断与灭弧能力。
就国内而言，为缩短充电时间，提高补能效率，推动新能源汽车全面普及，比亚迪、小鹏、吉利、华为等主流企业纷纷入场，推出高压平台解决方案，为大功率快充应用落地提速。预计到2026年，800V以上高压平台销量将超过580万辆，占电动汽车50%以上，而800V以上高压平台车型存量可达1,300万左右。
此外，电动汽车传导充电连接装置国家标准也已于今年初正式启动修订。超级充电技术标准的修订，意味着大功率快充正式纳入国家标准体系，进一步推动国内电动汽车产业向大功率快充迈进。在此标准下，充电电压最高可达1,000V（1,500V），最大电流达600A，充电功率最高可提升至900kW，充电时间大幅缩短至10分钟以内。
电源转换系统面临全面升级
随着新能源汽车迈入大功率快充时代，充电电压提高至800V，甚至突破1,000V，对充电模块转换装置提出了更高的要求。作为电动汽车电源转换系统的重要组成部分，整流器、薄膜电容、磁性元件等器件在汽车充电模组中占据了较大空间比例，其性能关乎整个转换模组的优劣。
贸泽电子在售的超快整流器VS-E5PX6012L-N3，是一款来自Vishay的X系列1,200V第五代FRED Pt® 整流器。从其参数来看，VS-E5PX6012L-N3的重复峰值反向电压可达1,200V，均值正向电流的最大额定值为60A。在100Hz正弦波，壳温为45℃条件下，正向单次浪涌电流可达420A，具有良好的抗冲击和过电流能力。
图2：VS-E5PX6012L-N3（图源：Vishay）
在正向电流为60A，结温为125℃时，VS-E5PX6012L-N3的正向压降最大约2.1V，导通损耗较低；在结温为25℃的条件下，当反向电压为1,200V时，该整流器的反向电流最大值仅为50μA，具有低正向压降和低反向电流的特性。
图3：正向压降特性以及反向电流、反向电压典型值（图源：Vishay）
在正向电流为60A、反向电压为800V时，VS-E5PX6012L-N3反向恢复时间约90ns，开关特性良好；峰值恢复电流为32A，反向恢复电荷为1570nC，大幅降低了器件导通损耗及关断损耗。
整体而言，VS-E5PX6012L-N3整流器具备低导通损耗和开关损耗的独特优势，是软开关/谐振高频转换器的最佳选择。该器件专为提高PFC效率和EV/HEV电池充电站的输出整流级、太阳能逆变器的升压级和UPS应用而设计，可与MOSFET或高速IGBT完美匹配。
图4：VS-E5PX6012L-N3动态特性（图源：Vishay）
同时，VS-E5PX6012L-N3采用TO-247AD 2L（单二极管）封装，工作温度范围宽、高温特性好，拥有更高的可靠性，可适应-55℃到+175℃温度范围内的不同工作环境。
与同类硅片解决方案相比，整流器的损耗降低10%。该整流器大幅提高了系统效率，导通损耗降低了10%。针对频率范围为50kHz的应用，在相同的正向电压条件下，VS-E5PX6012L-N3的开关损耗与Qrr（反向恢复电荷）降低了超过40%，为客户提供了更加经济高效的替代方案。
同样来自制造商Vishay的MKP339 X2抗干扰薄膜电容器，在贸泽电子网站上的制造商编号为BFC2339xxxxx。MKP339 X2系列电容器是一款MKP（金属化聚丙烯薄膜）径向灌封型电容，具有损耗小、内部温升小、击穿可自愈、阻燃性能良好等优势。
图5：MKP339 X2抗干扰薄膜电容器（图源：Vishay）
具体来看，如制造商编号为BFC233926224的电容器，电容值为0.22μF，容差为±20%，引线间隔为15mm，额定交流电压值达310V，额定直流电压值为630V。此外，此电容器工作温度范围在-55℃至+110℃之间，且在宽温度范围内，电容值与耗散因数仍可保持高度稳定，具有优秀的耐高温与高频绝缘性能。
整体而言，MKP339 X2系列电容器的引线间距覆盖从7.5mm到27.5mm的范围，符合AEC-Q200标准要求。此外，MKP339 X2薄膜电容器的电容范围为0.001μF至4.7μF，能够满足绝大多数高电压、大电流及高脉冲强度电路的参数需求，适用于标准跨线X2应用。与其他技术相比，MKP339 X2薄膜电容器的电容值更高，且内部串联结构能够保持电容量，延长使用寿命。
图6：薄膜、陶瓷片和多层EMI抑制电容器典型电路及安规电容器图（图源：Vishay）
在新能源汽车的大功率模块应用中，还可以使用集成模块产品，在电动交通领域，Bel Power Solutions有非常高效的车载电源转换产品，为电动卡车、电动大巴、电动乘用车以及混合动力汽车提供包括DC-DC转换器、车载充电器和DC-AC逆变器等解决方案。
BEL的350DNC40-12-8G，就是一款适合新能源汽的隔离式DC/DC降压转换器。350DNC40-12-8G的突出优势是输出功率高且效率高，单个产品功率高达4kW，4个组合输出功率最高达16kW。可将HVDC电压转换为适合为低压（12VDC/24VDC）附件供电的LVDC电压，兼具高效率、高可靠性、低输出电压噪声、出色的动态响应等优势，广泛适用于混合动力（HEV）汽车和电动汽车等领域。
该转换器可将240V-430V直流高压电转换为12V低压直流电，输出最大电流支持278A。同时，350DNC40-12-8G配置了CAN总线串行接口，可通过软件调节输出电压平均值。350DNC40-12-8G防水等级为IP65和IP67，输入输出之间完全电隔离，可实现过温、输出过压和过流保护、输入和输出反极性保护，能够有效降低抑制纹波，避免电磁干扰，提高整车充电系统安全性能。
在保证系统可靠性和稳定性的前提下，350DNC40-12-8G典型效率达到93%，通过搭载BCL25-700-8车载电池充电器，可有效缩短整车系统充电时间，提高整车续航里程。
图7：350DNC40-12系列降压转换器（图源：Bel Power Solutions）
此外，Bel Power Solutions还为350DNC40-12-8G搭配了相应的接插件套件350DNC40-CON-KIT-9G，配套使用350DNC40-CON-KIT-9G，为350DNC40-12-8G的可靠性与安全性提供了更佳保障。
构筑完善的高压安全架构
对于大功率快充而言，其工作电压远高于安全电压，放电电流也高达数十安，乃至上百安，一旦发生过载、短路或漏电等情况，将会对整车系统或器件造成热损伤、绝缘破坏，甚至发生起火、爆炸或人身伤亡事故。因此，如何保障动力电池系统和高压系统安全可靠，优化高压系统安全回路设计，逐渐成为当前主流车企亟待解决的难题。
面向高压电路系统，通过在回路中配置熔断器/保险丝、NTC热敏电阻等器件，可实现温度实时监测与控制，在电路发生过电流、过电压或过温的情况下，能够快速切断电路、熄灭电弧，从而确保整车系统安全及人身安全。
贸泽在售的来自Bel Fuse的快断式保险丝0ADAC0600-BE，采用了6.3mm x 32mm紧凑型封装，外形纤薄体积小，有助于整车安全系统小型化设计。
图8：快断式保险丝0ADAC0600-BE（图源：Bel Fuse）
0ADAC0600-BE的额定电压为600VAC/DC，额定电流为0.6A，分断能力高达10kA，在过载或短路时拥有非常快速的响应速度，10倍额定电流时可在0.001至0.01秒之内断开电路。
此外，该保险丝还采用陶瓷材料制备，能够在电流过载时快速切断发生故障的子系统，保证其余子系统能够正常运行，为高能量和大功率应用提供过电流安全保护，极大地减少了因电气故障引发的整机瘫痪。
图9：保险丝时间电流曲线（图源：Bel Fuse）
整体而言，0ADAC0600-BE保险丝在高压系统中的快速分断能力，在电动汽车高压快充应用中极具优势。因此，在汽车DC/DC转换模块、功率逆变器等应用领域，0ADAC0600-BE保险丝可提供稳定可靠的安全保护功能。
总结
从成本与技术角度来看，大功率高压快充正逐步成为新能源汽车的标配，众多主流车企相继推出800V高压平台架构，并加速向1,000V甚至更高电压架构演进升级。大功率快充趋势之下，整车系统及充电桩所配置的半导体元器件都需要重新选型，以适配高压系统对器件耐压等级、耐高温、绝缘、低损耗等方面的更高需求。
作为全球领先的电子元件分销商，贸泽电子提供了丰富多元的磁性元件、整流器、薄膜电容、保护元件等器件品类，能够满足大功率快充全部的元器件升级替换需求，帮助车企用更低的总体拥有成本实现更为安全可靠、灵活高效的汽车架构升级目标。
