汽车电动化的趋势正在加速。近两年受疫情和芯片短缺影响，全球汽车市场整体表现不佳，但新能源汽车一枝独秀，延续了这几年的强劲增长势头，2021年销量翻番。就连之前对纯电动汽车方向犹豫不决的传统德系和日系汽车厂商，也纷纷推出自己的纯电动产品作为主推新品，电动汽车发展前景一片光明。然而，随着电动汽车普及率的提高，充电慢、里程焦虑等问题也越来越普遍。目前解决充电慢的方法主要有两种。一种方式是更换电池，即汽车去换电站更换已经充电的电池组，简称换电；另一种方法是使用大功率快速充电来缩短充电时间，希望达到充电五分钟，续航200公里。

换电更快，但换电需要设计可拆卸电池组，建设大量换电站，投入资源统一管理更换下来的电池，这无疑会大大增加前期部署成本。所以目前大部分厂商都选择了大功率快充路线。增加充电功率也有两种方式，即大电流方式或高电压方式。

增加电流的好处是不需要修改电流电压结构，但是大电流会产生高散热，所以充电时电池容易过热。因此，有必要改进汽车散热设计，以匹配大电流模式。而且大电流模式要求相关元件、连接器和线束具有更高的载流能力，连接器和线束的载流能力与其直径成正比。大电流无疑需要更粗的电线，会带来更高的成本。特斯拉超快充电方案采用大电流方案，电压400V，最大充电电流600A，可实现250kW的充电功率。如此高的充电电流对相关模块的热管理技术提出了巨大的挑战。

大电压模式是另一种选择。比如把400V的充电电压改成800V，用一半的电流值就可以达到和400V一样的充电功率，可以降低对元器件、连接器、线束载流能力的要求，简化散热设计的难度，降低成本，延长使用寿命。但采用800V充电架构，整个供电架构包括电池组、电驱动、车载充电器等。需要重新设计，核心部件应具有在800V DC电压下正常工作的能力。

碳化硅功率管取代IGBT

目前，在主流的400V架构中，电驱动功率管主要采用IGBT器件，但IGBT的耐压通常不高于650V，因此在800V架构中几乎无法使用。即使采用超级结技术的高耐压IGBT，其工作电压也不超过900V，体积也比普通IGBT大很多，这无疑给车内空间布局和散热设计带来了困难。

这时候碳化硅(SiC)功率管的优势就体现出来了。SiC属于宽带隙器件，击穿场强是硅器件的十倍，因此可以用更小的尺寸实现更高的耐压。目前SiC功率管可以支持1700V MOSFET阻断电压，非常适合高压应用。而且碳化硅器件导通电阻低，关断时漏电流小，可以显著提高功率模块的效率；碳化硅器件的热导率是硅基器件的3倍，可以承受更高的工作温度，从而降低散热要求。而碳化硅器件的反向恢复电流极低，可以以相应硅基器件工作频率的3到5倍进行开关，从而降低了对电容和磁性元件的性能要求。相应的模块可以用重量更轻、成本更低的电容和电感来实现

比如莫泽电子官网销售的C3M0040120D就是一款非常适合800V充电架构的SiC MOSFET。该器件采用Wolfspeed第三代平面MOSFET工艺，提高了Cgs/Cgd比，具有更高的硬开关性能。C3M0040120D的阻断电压高达1,200V，而导通电阻仅为40 m，最大工作电流可达66A。开关损耗小，能效高，散热要求低。它采用小型TO-247-3封装，非常适合电动汽车电机驱动、太阳能逆变器和高压DC-DC电源等高压应用。

图2:沃尔夫斯皮德C3 M0040120d

(来源：Wolfspeed产品手册)

另一款Wolfspeed E3M0120090J也可以在官网买到。E3M0120090J还采用了第三代碳化硅MOSFET工艺，寄生参数低，开关速度快，源漏击穿电压Vds达到900V。它封装在TO-263-7中。产品通过了AEC-Q 101和PPAP认证，适用于电动汽车充电、UPS、太阳能逆变器等应用。

图3: Wolfspeed E3M0120090J

(来源：Wolfspeed产品数据表)

用碳化硅器件替代硅基IGBT，不仅可以提高器件的整体性能，降低散热设计难度，还可以降低整车成本。碳化硅功率器件虽然比IGBT等硅功率器件贵，但由于损耗低、重量轻，可以有效增加整车续航能力，从而降低整车成本。图4所示的DC功率转换器由650V硅器件实现，这需要更多的器件、复杂的均流控制电路和高传导损耗。采用Wolfspeed碳化硅功率管，电路简单，开关频率高，可以使用更小更轻的磁性元件。

图4:碳化硅器件在DC-DC功率转换器中的优势

(来源：Wolfspeed官网)

Wolfspeed估计，用碳化硅器件替换IGBT器件的成本将增加75美元至150美元。然而，这些器件更换后，由于损耗低、电路简单、重量轻，即使在400V架构下，电池寿命也可以提高6%至10%，从而节省600美元至1000美元的电池成本，这使得制造商的成本更低(将800V架构下的电池容量减少525美元至850美元，碳化硅技术的优势无疑将更加明显。

薄膜电容器被广泛使用。

如前所述，高压架构会影响到相应电路中的所有核心器件，包括电容、电感等无源器件，主要用于实现各种滤波和保护功能。

其中，薄膜电容器因其耐高压、高可靠性、高安全性、无极性等优点，在电动汽车的电源架构中得到了广泛的应用。如图5所示，薄膜电容用于电动汽车的大功率充电系统，从输入滤波、交流-DC转换、DC-林克、DC电压转换到输出滤波。

薄膜电容采用无感绕组，所以电流路径短，等效电感ESL和等效电阻ESR都比较小，可以承受大电流而不发热。而且薄膜电容器具有自愈性，即如果电容器中的薄弱点被瞬间高压击穿，薄膜电容器可以通过自愈能力恢复正常功能。从薄膜电容器的加工工艺来看，塑料薄膜上蒸镀的金属涂层厚度只有20到50纳米。如果在某处较弱，瞬间高压通过时可能发生介质击穿，由此产生的高温会使绝缘介质变成高压等离子体气体而被释放出来，在击穿点附近与金属涂层一起蒸发。等离子气体快速膨胀后，会在几微秒内冷却下来，使放电现象在电压急剧下降前停止，恢复之前薄弱点附近的绝缘，从而实现自愈功能。这一特性使得薄膜电容特别适用于汽车、工业、电力等安全性要求较高的场景。在800V架构中，对电容器的耐温性、耐压性、可靠性和稳定性提出了更高的要求，并期望消耗和单位pri

由毛泽电子公司销售的来自制造商EPCOS /TDK的B2563x MKP薄膜电容器非常适合DC-Link。B2563x MKP薄膜电容器的预期使用寿命为10万小时，额定电容范围为50 F至400 F，该系列支持的DC电压范围为500V至1200v，用户可根据具体应用选择相应耐压值的电容器。例如，B25631B1956K200支持1，200 V的电压范围。

图6: EPCOS/TDK B2563x MKP薄膜电容器

(来源：毛泽电子)

在800V系统中，大功率的应用越来越多，这对电感的额定工作电流提出了更高的要求。毛泽电子公司销售的TDK生产的HPL505032F1电感器是一种适用于大功率应用的电感器。HPL505032F1采用高饱和磁通材料制成的低阻框架，通过高磁导率和低损耗铁氧体实现高功率效率。这个电感的额定电流提高到上一代的1.5倍，可以适应高达40A到50A的电流。专有结构设计产生的磁通消除效应有助于控制噪音，而集成外部和内部电极的框架可以降低开路和短路的风险，并确保高可靠性。HPL505032F1通过了AECQ-200认证，非常适合给ADAS中的摄像头模块供电。

图for tdkhpl505032f1汽车电源电路电感

(来源：毛泽电子)

作为电感器产品的领先制造商，TDK提供多种汽车轨距电感器供用户选择。摩斯电子官网销售的BCL电源电路用电感为绕线式电源电感，线圈采用磁性材料完全密封，可以最大限度减少漏磁。该感应器采用TDK 的专有材料技术和结构设计，并采用金属磁性材料作为核心材料。与传统的性能相近的铁氧体产品相比，电感的尺寸减小了35%左右，在小尺寸的情况下实现了高电感。现有车型最大电感达到47uH，今年即将上市的新款最大电感为101uH。BCL系列绕组线与外部电极的连接结构设计，降低了开路风险，保证了高可靠性。工作温度范围为-55至155，BCL系列额定电压为40V，适用于ADAS和各种ECU应用中的低压电源电路。

图8:8:TDK BCL电源电路的电感

(来源：毛泽电子)

毛泽电子官网订购的TDK SPM-VT-D汽车电感是金属磁性材料制成的另一系列金属复合绕线电感，因此也具有小型化、低直流电阻(Rdc)的特点。SPM-VT-D汽车电感还符合AEC-Q200标准，适用于发动机控制模块、LED、ADAS、BCM等车辆模块的电源电路应用。

图9: TDK SPM-VT-D汽车电感

(来源：毛泽电子)

线束、隔离器和接触器

采用高压架构的一个主要原因是大电流模式接近车辆线束载流量的上限(500至600A)。采用高压架构可以降低线束的载流要求，但还是要注意线束的绝缘层是否满足高压要求。一般电动车有两个电压等级：A类最高电压不超过60V (DC)或30V(交流有效值)，B类电压范围为60V至1500v(DC)或30V至1,000V(交流有效值)。所以高压线束通常在B类电压范围，但部分高压线束的绝缘性能只支持600V，满足400V电压系统的要求。同样，连接器和隔离器也要注意耐压要求的变化。

接触器也是一个值得关注的产品。在很多地方，电动汽车需要快速可靠地切换高压大电流DC电路。高压DC电路的切换会产生电弧，导致接触器的减少的切断能力和电气寿命。因此，要求能快速切断电流的高压接触器具有良好的灭弧能力，以保证应用的可靠性。

图10: TDK高压接触器开关电路性能良好，更安全。

(来源：TDK官网)

摩斯电子官网销售的EPCOS/TDK HVC系列高压接触器满足电动汽车高压DC开关的应用要求。该接触器采用陶瓷密封设计，在恶劣环境下具有优异的可靠性，并具有高速灭弧功能，最高可支持500A的连续工作电流。该系列产品可用于要求快速可靠开关操作的电动汽车的各种应用中。其中，HVC43系列新品B88269X3340C011支持高达1,000V的电压和高达250A的额定电流。它采用非极性设计，体积小，重量轻，旨在快速关闭车辆、充电站或储能系统中锂离子电池的大DC电流，因此非常适合电动汽车的800V架构。

图11:epcos/tdkb 88269 x 3340 c 011产品外形图

(来源：毛泽电子)

摘要

自保时捷推出首款800V电动汽车量产车型Taycan以来，包括比亚迪、小鹏、蔚来、理想、长城、北汽、广汽在内的多家厂商都宣布了自己的800V架构计划。他们的800V架构产品计划在2022年或2023年上市，800V架构的普及，必将改变包括电池组、功率管、电容、电感、接触器、隔离器、线束在内的大部分汽车电源架构部件的发展趋势。像Wolfspeed和TDK这样在技术积累方面做得很好的厂商无疑在这场技术变革中走在了前面。

编辑：李倩

标签：电压电流汽车