電動車(EV)的性能、充電時間和續航里程需求不斷上升，推動電池系統從400V升級至800V及1200V。800V架構能實現更快充電和更高效能，並降低熱管理需求，提升整體能效和續航里程。碳化矽(SiC)技術在800V系統中提供更高的效率和功率密度，並改善熱管理。轉型至800V系統並不意味著淘汰400V平台，而是根據具體需求選擇合適架構。SiC解決方案可提升400V系統性能，並支持無縫轉型至800V架構以滿足高功率需求。
隨著電動車(EV)逐漸成為主流，人們對電動車的性能、充電時間和續航里程的期望持續攀升。要滿足這些需求，不僅需要在使用者介面進行創新，更要深入動力系統架構展開革新。而推動這一演進的關鍵之一，便是電池系統從400V朝800V，甚至1200V升級。這種轉變實現了更快的充電、更高的功率輸出與更有效率的能源利用，同時也帶來了新的設計挑戰。
400V到800V架構轉型
如今，大多數電動車採用400V電池系統。這類平台適用於多種使用案例，涵蓋純電乘用車到插電式油電混合車，在性能、成本與現有充電基礎設施之間實現了平衡兼顧。然而，隨著汽車製造商(OEM)致力於提升車輛續航里程並縮短充電時間，800V架構逐漸受到業界重視。
800V電池架構會對電池尺寸、重量和能量容量產生影響。800V系統支援更快的充電速度和更高效的功率傳輸，不僅降低了對熱管理的要求，還能使用更細的電纜，可謂一舉數得，既能提高能效、減輕整體系統重量，又能減少封裝需求。此外，在相同功率水準下，800V系統可降低電流，盡可能地減少I2R損耗，進而提升整體能效、增加續航里程，同時改善性能。
儘管400V系統仍適用於許多車型，但市場對800V系統的需求正與日俱增，尤其是在高性能電動車、長途商用車及依賴超快充的車隊中(圖1)。轉型至800V架構並非萬能的解決方案，而是與特定應用需求相輔相成的技術演進。最佳的電壓架構取決於具體使用案例和性能目標，還要考慮與基礎設施的相容性。
圖1 貨運車隊和商用電動車是車載充電應用領域中快速成長的市場
電動車主要應用與電壓要求
不同的電動車應用場景對應不同的功率需求和架構設計。例如，入門級城市轎車通常採用400V系統，這類車輛更注重成本控制和車身緊湊性，而非大功率性能。
中階市場的插電混合動力車和標準純電車則受益於高效的400V系統。許多這類車型配備6.6~11kW的車載充電器，且常依賴家用充電設施。即便在400V等級，SiC MOSFET被導入的情形也日益普遍，以提升功率密度並降低開關損耗。
高階市場包括商用電動車、豪華乘用車和貨運車隊。這些車輛需要快速充電能力和更高的能量輸送量，因此800V架構成為理想之選。800V系統可透過直流快充站支援更高功率，使這類車輛能更快完成充電，並在長距離行駛中保持更高能效。
SiC元件助攻800V系統
碳化矽(SiC)是一種寬能隙材料，相較傳統矽材料優勢顯著，不僅開關速度更快，還能在更高電壓和溫度下運行。
車載充電器(OBC)中，SiC技術帶來的能效提升尤為可貴。其更高的開關頻率使得小型化被動元件的應用成為可能，有助於縮小系統尺寸並降低成本。此外，SiC優異的熱性能還簡化了熱管理，有助於緊湊的電動車系統克服熱管理方面的重大挑戰。
SiC MOSFET vs Si超接面MOSFET/IGBT
碳化矽MOSFET可用於PFC、原邊DCDC和副邊整流(雙向)，是800VDC電池系統中所推薦的產品。該技術可實現相較於IGBT或矽超接面(Super Junction)MOSFET的最高效率和功率密度。在眾多採用碳化矽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或矽超接面MOSFET。
在設計400V電池系統時，在傳統升壓或交錯升壓拓撲結構中使用650V SiC MOSFET可以提高功率密度並改善熱性能。在使用圖騰柱PFC時，建議在任何電池電壓下使用SiC MOSFET技術。
矽超級接面MOSFET適用於400V電池系統中的PFC和DC-DC級。它們在用於PFC的傳統升壓、無橋升壓和維也納整流器設計中運行良好。不過，由於體二極體的反向恢復損耗以及無法在連續導通模式下工作，不建議將它們用於圖騰柱PFC。矽超接面MOSFET比IGBT具有更高的效率和開關速度。
IGBT適用於大多數PFC拓撲和DC-DC級。IGBT沒有內部體二極體，因此封裝必須內置一個二極體，或者並聯一個外部二極管。混合型IGBT在封裝中包含一個SiC二極體。即使在圖騰柱PFC的高速引腳使用MOSFET的情況下，IGBT也可以用於低速引腳。當元件成本是DC-DC級設計考慮的因素時，IGBT適用於較低功率等級的設計。與矽超接面MOSFET或SiC MOSFET相比，IGBT較慢的開關速度和較低的效率在設計上也是可接受的。
針對SiC元件優化的閘極驅動器
高速SiC元件需搭配性能旗鼓相當的閘極驅動器，才能充分發揮SiC MOSFET的能效優勢。廠商如安森美提供一系列專為SiC應用設計的隔離型閘極驅動器，特性包括支援負閘極偏壓、具備高共模瞬態抗擾度、短傳播延遲等。
非常適合在半橋或全橋配置中驅動SiC MOSFET。NCV51152和NCV51752則是緊湊型單通道驅動器，專為空間受限的應用量身打造，整合負閘極偏壓。這些驅動器有助於防止直通事件、降低電磁干擾(EMI)，並提升OBC系統的整體可靠性。選擇合適的閘極驅動器並進行合理整合，對於充分發揮SiC技術的性能優勢至關重要。
電動車充電系統
充電站有三種分類或「等級」(圖2)。一級和二級充電站可將交流電輸送到車載充電器，然後以適當的輸出電流和電壓為直流蓄電池充電。三級充電器是車外直流充電站，它繞過車輛的OBC，直接向車輛電池提供高達400A的高壓直流電。
圖2 電動汽車充電系統示意圖
儘管速度較快的三級直流充電站已投入使用，但其布建的普及度仍在成長中，因此OBC仍然不可或缺。此外，許多企業正盡可能提高現有二級充電基礎設施的性能並促進更高電壓電池技術的採用，市場對更高能效OBC的需求預計仍將持續成長。
汽車整車廠可以透過構建更強大的OBC來提高二級充電站的充電速度，但這需要利用經濟高效且性能可靠的電子元件，來實現更高的電壓(800V)和更高的功率等級。
高性能OBC關鍵設計考量
對於更高性能的OBC，除了額定功率和電池電壓之外，還有許多因素需要考慮。其中包括散熱管理、封裝限制、零組件成本、電磁相容性(EMC)以及對雙向充電的潛在需求。
談到散熱管理，很容易想到增加OBC的尺寸和重量。然而，這種簡單的方案並不理想，因為電動汽車的空間有限，難以容納過於龐大的OBC，而且重量增加也會導致縮短車輛的續航里程。
800V電池架構可以帶來諸多益處，例如減少導通損耗、提高性能、加快充電和電力輸送速度等，但也為設計師帶來了許多複雜難題：
- 零組件供應：尋找適合800V安全運轉的零組件可能會很困難。
- 降額以確保可靠性：即使是合格的零組件也可能需要降額，也就是以低於最大容量的功率運轉，以確保長期可靠性。
- 安全問題：更高電壓的系統需要強大的絕緣和安全功能。
- 測試和驗證：驗證高電壓系統更為複雜，需要專門的設備和專業知識。
為此，需要用到擊穿電壓更高的元件，對於MOSFET而言尤其如此。事實證明，在需要更快MOSFET開關的更高電壓應用(例如OBC)中，改用高性能碳化矽SiC元件將大有裨益。開發PCB布局時，考慮電壓等級也至關重要，因為可能需要相應地擴大元件間距和PCB走線之間的距離。同樣，暴露於更高電壓的其他元件(例如連接器、變壓器、電容)也需要更高的額定值。
車載充電器功率級(PFC、DC-DC)根據電動汽車電池組的電壓使用不同的功率元件。圖3是400V電動汽車電池架構，需要額定電壓高達650V的功率開關元件。高電流和瞬態電壓需要有電壓裕量。
圖3 400V電動汽車電池架構框圖
圖4是800V電動汽車電池架構的框圖變體，其中功率離散元件和汽車電源模組的額定電壓高達1200V。
圖4 800V電動汽車電池架構框圖
該框圖還包括隔離閘極驅動器、輔助電源和各種控制器。訊號測量和調節可通透過運算放大器、CSA和溫度檢測來實現。CAN和LIN收發器可確保在車載網路內進行快速可靠的通訊。為支援MCU運行，具有快速瞬態箝位能力和低電容的ESD保護元件，可保護關鍵訊號的完整性。
朝800V系統轉型並不意味著要淘汰400V平臺，而是要為合適的使用案例匹配恰當的架構，並在此基礎上確立清晰的創新與擴展路徑。SiC解決方案將協助電動車製造商提升現有400V系統的性能與能效，無縫採用800V架構以應對高功率應用需求，同時打造緊湊、可靠且高效的前瞻性OBC系統。
(本文由onsemi提供)