【導讀】全球范圍內，電動汽車（EV）行業(yè)正處在一個快速成長期。根據麥肯錫的預測，在2021至2030的十年間，全球乘用車的總銷量預計約為8億臺，其中電動汽車的銷量將達到約2.2億臺，其滲透力可謂勢不可擋。
但伴隨著迅速增長的市場規(guī)模，還有越來越多的“吐槽”。這主要是因為電動汽車作為一個“新物種”，縱有千般優(yōu)點，在現階段面對已歷經百年發(fā)展歷程的傳統燃油車，用戶體驗上還是差強人意，這就使得用戶難于實現完美而無憂的“平替”。而槽點主要集中在續(xù)航和補能（充電）方面。
800V高壓充電時代來臨
為了實現電動汽車的快充，優(yōu)化用戶的駕乘體驗，核心的要義只有一條——提升功率；而在“如何提升功率”技術路徑的選擇上，則有“大電流”和“高電壓”兩個不同的技術流派。
“大電流”派的思路是在不改變當前電動汽車400V電壓架構的前提下，通過增大電流來提升充電功率。特斯拉就是這個流派的“帶頭大哥”，其超級充電樁工作電流峰值高達600A，可提供250kW的功率。
不過“大電流”快充方案有兩個先天的短板：一是大電流會在整個功率傳輸鏈路上產生更高的熱損耗，需要額外的散熱系統，這無疑會增加系統不確定性；二是為了提供更大的載流能力，需要采用更粗（也更重）的線束，以及體積更大的連接器等配套元器件，這對于空間有限且對控制自重有嚴苛要求的汽車應用是不小的挑戰(zhàn)。因此，業(yè)內普遍的認識是，“大電流”的快充方案更容易碰到性能提升的“天花板”。
而與之相比，“高電壓”方案的思路是將電動汽車充電電壓從傳統的400V提高到800V，無需大幅提升電流也能達到更理想的快充效果，且不需要更換更粗的線束和相關元器件。而且有研究表明，采用800V高壓模式的快充支持30%-80% SoC最大功率充電，而低壓大電流模式僅能在10%-20% SoC進行最大功率充電，也就是說800V高壓模式能支持更長時間的快充。
2019年保時捷發(fā)布了全球首款采用800V高壓系統的Taycan車型，僅用23分鐘就能將電池電量從5%充至80%，這算是給大家打了個樣，此后越來越多的車企都加入到了這個“800V快充系統”俱樂部，“充電5分鐘，續(xù)航200公里”推廣語的聲浪也越來越大。
雖然800V高壓系統的設計仍面臨著諸多挑戰(zhàn)，不過越來越多的人都認同“高電壓”的技術路線終將勝出，我們正在邁入800V電動汽車的時代。
大功率下的車用元器件
當然，電壓從400V提高到800V這個升級并不簡單。從系統級的角度看，這關系到整個電動汽車的動力系統，涉及逆變器、電機驅動、DC-DC、車載充電器（OBC）等很多組件子系統的同步升級，可謂牽一發(fā)動全身，這就需要設計出新的系統架構去滿足綜合性價比的要求。
從元器件級來看，在更大功率的電動車系統中，必然要求基礎的元器件能夠經得住考驗，跟上市場發(fā)展的要求。盡管通過一些巧妙的系統設計上的優(yōu)化，很多400V系統中的元器件在800V系統中仍然可以使用，但是根據技術趨勢進行預判，未雨綢繆，提供未來更大功率所需的車用元器件，仍然是元器件供應商在面對快速發(fā)展的電動汽車市場時的必修課。
綜合來看，大功率場景中的車用元器件除了要滿足基本的車規(guī)要求外，還需要在以下幾個方面進行“修煉”，建立優(yōu)勢能力：
更高的功率密度
更高的功率往往伴隨著更高的功率損耗和熱量耗散，因此就需要元器件在高效率、低能耗方面有過人之處。與此同時，車用環(huán)境對空間的敏感性，也使得元器件外形封裝要盡量緊湊。兩個因素疊加，具有更高功率密度的元器件，顯然更有競爭力。
更高的安全性
功率更高，意味著在控制和傳輸功率時要確保更高的安全性和可靠性。比如800V架構由于電壓更高，在控制和保護電路中產生損壞電弧的幾率也更大，因此必須要滿足更嚴格的隔離要求。
更精準的感測
想要實現更精準的大功率控制和管理，一個前提就是要增加系統中的感測元器件，能夠準確測量電池、負載等對象的電信號并將其傳輸到控制側。而元器件數量和系統復雜性的增加，會提高失效率（FIT），這也會轉變?yōu)閷δ馨踩男绿魬?zhàn)。
顯而易見，只有不斷豐富和優(yōu)化自己的產品組合，滿足上面這些設計要求，元器件廠商才能夠從容應對大功率汽車應用開發(fā)中的諸多挑戰(zhàn)。
Vishay的電動汽車解決方案
車用元器件一直是Vishay的優(yōu)勢領域。在電動汽車時代，Vishay也在進一步鞏固這一優(yōu)勢，不斷推出能夠滿足電動汽車大功率應用開發(fā)所需的元器件產品和解決方案。下面就是其中一些代表性的產品。
SQJ汽車用MOSFET
功率MOSFET是大功率汽車應用中最為關鍵的半導體器件之一，隨著電動汽車電源架構的升級，更低損耗、更高效率、更高耐壓、更高可靠性的器件自然成為了大家追求的目標。為了實現這一目標，一方面人們在積極推動SiC MOSFET這類新型器件的發(fā)展和應用，以期獲得性能的全面提升；另一方面也在對傳統的Si MOSFET深度挖潛，提供更具性價比的解決方案。
Vishay / Siliconix的SQJ汽車用MOSFET，是TrenchFET?? Gen IV N溝道30VDS至100VDS功率MOSFET，這些MOSFET符合AEC-Q101標準，且100%經過Rg和無鉗位電感開關（UIS）測試，RDS(on)低至0.7 mΩ，且具有行業(yè)先進水平的FOM參數，進一步優(yōu)化了開關特性。SQJ汽車用MOSFET具有非常低的RDS(on)，在低功耗方面也很有優(yōu)勢。該功率MOSFET采用PowerPAK SO-8L封裝，支持很寬的結溫范圍（-55°C至175°C），能夠適應電機驅動、電池管理等嚴苛的電動汽車應用的要求。
圖1：SQJ汽車用MOSFET
（圖源：Vishay）
VOA300汽車級線性光耦合器
在電動汽車電池管理系統（BMS）的開發(fā)中，一方面需要完成電池電壓檢測和信號傳輸，另一方面還要在高壓電池側和低壓控制側之間實現可靠的隔離，這時就需要一款高性能的光耦合器來擔負這個重要角色。
Vishay的VOA300汽車級線性光耦合器專門設計用于BMS中的電壓檢測，器件內部兩端分別集成了一個紅外發(fā)射、一個隔離反饋和一個輸出的PIN光電二極管，具有1.4MHz寬帶寬，與其他標準光耦合器相比，在快速響應（1.2μs數據傳輸）、增益穩(wěn)定性（±0.005% /°C）和隔離電壓（5300VRMS）等方面都實現了更高的性能。VOA300符合AEC-Q102標準，除了BMS，在車載充電器（OBC）電壓監(jiān)測、DC/DC轉換器和AC/DC逆變器級電壓監(jiān)測方面也可一展身手。
圖2：VOA300汽車級線性光耦合器
（圖源：Vishay）
WSLP3921和WSLP5931大功率電阻器
在為功率系統提供準確的電流測量時，需要用到高性能和高可靠性的大功率分流電阻器，在這方面Vishay有一款非常值得稱道的產品。
Vishay / Dale的WSLP3921和WSLP5931大功率電阻器可以支持高達15W的功率，由于其是由單個金屬條制成，因此具有極低的電阻值（低至0.1mΩ），以及0.5nH至5nH的超低電感值。這些表面貼裝Power Metal Strip??功率電阻提供3921和5931外殼尺寸，采用全焊接結構，非常適合用于電流感應、分壓和脈沖應用。符合AEC-Q200標準的WSLP3921和WSLP5931電阻器，在大功率汽車應用上顯然也是游刃有余。
圖3：WSLP3921和WSLP5931大功率電阻器
（圖源：Vishay）
MKP1848Se DC-Link薄膜電容器
在大功率電動汽車系統中，各種元器件無疑會經受更嚴苛的考驗，這時高可靠性、高穩(wěn)定性的物料肯定是優(yōu)選方案。具體到電容器，薄膜電容器憑借其耐高壓、抗紋波能力強、可靠性和安全性高、性能穩(wěn)定、壽命長、無極性等優(yōu)點，在電動汽車應用上頗受青睞，應用廣泛。
在這個產品線上，Vishay / Roederstein的MKP1848Se DC-Link薄膜電容器很值得推薦。該系列汽車級金屬化聚丙烯直流支撐（DC-Link）薄膜電容器具有高紋波電流、低ESR和ESL等特性，而且其在額定 UNDC 條件下經受56天60°C、93%相對濕度的THB測試，具有高達105°C的工作溫度，可靠性和耐用性出眾。同時，該系列薄膜電容器的高度僅有12mm，因此十分適合空間受限的汽車應用。MKP1848Se系列薄膜電容器提供1μF至75μF的額定電容值，容值精度有5%和10%，額定電壓為500V至1,200V，符合AEC-Q200標準，在電動汽車中的典型應用包括電源轉換器、板載和感應充電系統、HVAC系統和電機驅動器等。
圖4：MKP1848Se DC-Link薄膜電容器
（圖源：Vishay）
打造完整參考設計
對于真正的電動汽車大功率系統開發(fā)來講，認識了上述這些適用元器件僅是完成了“選料”的第一步，如何在設計中將它們整合在一起，形成完整、可商用的產品或方案，才是更大的挑戰(zhàn)。
幸運的是，Vishay已經搶先一步意識到這一點，所以近年來一直在基于這些高性能車用元器件，針對電動汽車大功率應用的“痛點”打造完整的參考設計。這些參考設計包括完整的設計文件和BOM，以及其他相關的設計資源，可以大大加速相關功能組件的評估和研發(fā)工作。
比如下面這款Vishay新近推出的800VDC/ 50A雙向eFuse參考設計，它是采用半導體器件設計的可恢復電子保險絲（efuse），可取代機械繼電器和接觸器以及傳統的不可恢復保險絲，代表著高功率應用中控制和保護系統設計的新趨勢。
圖5：800VDC / 50A雙向eFuse參考設計
（圖源：Vishay）
這個在雙面四層PCB（FR4）上構建的eFuse參考設計，采用先進的SiC MOSFET作為主開關，能夠在動力電池組的高壓電源與各種類型的車用負載之間實現快速安全的開關操作，可支持最高50A的工作電流，應對高達40kW的連續(xù)功率。值得一提的是，其在全功率下連續(xù)運行時損耗小于25W，因此不需要主動冷卻裝置，由此可見其在高能效設計方面表現十分出眾。
除了大功率開關控制，這個800VDC雙向eFuse參考設計還具有可靠的保護功能。如果電流超過預定限制，負載將快速從電池組斷開，以保護電池組和用戶。該eFuse還設計有預載、連續(xù)電流監(jiān)測和過流保護功能，故障后關機僅需2.5μs。
圖6：800VDC/ 50A雙向eFuse參考設計電路板
（圖源：Vishay）
在該參考設計的BOM中，可以看到很多Vishay車用元器件的身影，比如我們上文介紹的VOA300汽車級線性光耦合器，就負責在高壓側和控制側之間提供可靠的隔離，同時提供高達200kHz的數字信號傳輸，使得電壓和電流測量信號能夠“穿過”隔離屏障進行傳輸。同時，WSLP3921功率電阻器在這個eFuse中作為電流感測分流電阻，也是精確測量負載電流不可或缺的一顆料。
總之，通過這樣的參考設計，Vishay將各種元器件整合成一個完整的解決方案，呈現在用戶面前，為大家?guī)砀庇^的功能和開發(fā)體驗，藉此也讓自己的技術優(yōu)勢得以充分展現。如需了解更多800V、50A 雙向 eFuse 參考設計，請點擊文末“閱讀原文”。
本文小結
向更大功率系統演進，提供更佳的用戶體驗，已經成為電動汽車開發(fā)中的大趨勢。800V架構及其他大功率的應用開發(fā)，對于很多開發(fā)者來說也是一個全新的嘗試，這個過程就像是“烹小鮮”，需要選擇合適的“食材”（元器件），料理出一道“美味”（解決方案）。
Vishay不僅能夠為你提供所需的好“料”，還親自“下廚”，用這些好“料”打造出完整的參考設計，讓大家能夠搶“鮮”品嘗到創(chuàng)新科技帶來的全新體驗。這些在800V電動汽車時代選好“料”、烹小鮮的訣竅，歡迎大家一起來圍觀——
來源：Mouser
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