解決指南

Vol.3 在EV插電式充電系統(tǒng)中的應(yīng)用

概要

隨著MLCC(積層貼片陶瓷片式電容器)的大容量化以及高耐壓化發(fā)展，以往主要使用薄膜電容器的領(lǐng)域中也逐漸被MLCC所取代。尤其是具有優(yōu)異溫度特性的溫度補(bǔ)償用(種類1)C0G特性的MLCC，在要求高精度及高可靠性的用途中，除了能夠大幅節(jié)約空間，還可帶來眾多替換優(yōu)點(diǎn)。
C0G特性的標(biāo)準(zhǔn)極為嚴(yán)格，在-55～+125°C的溫度范圍內(nèi)，溫度系數(shù)為0ppm/°C，允許差為±30ppm/°C。TDK的C0G特性·高耐壓MLCC是一款通過C0G特性，在行業(yè)最高等級(jí)的廣電容量范圍(1nF～33nF)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了1000V耐電壓的產(chǎn)品。在解決方案指南“將薄膜電容器替換為MLCC的指南Vol.2”中雖然對(duì)EV的無線充電系統(tǒng)進(jìn)行了說明，但在當(dāng)前，帶動(dòng)EV得到普及的則是通過家庭用AC電源為EV(BEV/PHV)的驅(qū)動(dòng)用電池進(jìn)行充電的插電方式。
以下就將插電充電系統(tǒng)的車載充電器(OBC：板載充電器)中的薄膜電容器替換為MLCC，以及相關(guān)優(yōu)點(diǎn)為中心進(jìn)行說明。

插電式充電需要車載充電器

HEV與EV(BEV)的不同點(diǎn)如圖1所示。

圖1：HEV與EV(BEV)的比較

最大的不同點(diǎn)在于，HEV是通過并用燃料式發(fā)動(dòng)機(jī)與電馬達(dá)行駛，而EV僅依靠電馬達(dá)行駛。為此，對(duì)于EV而言，從外部電源為驅(qū)動(dòng)用電池充電的系統(tǒng)變得不可或缺。
電池容量越大，續(xù)航距離則越長。為此，EV的電池尺寸存在增大的趨勢(shì)。同時(shí)，為了縮短充電時(shí)間，電池電壓存在升高的趨勢(shì)

《EV(BEV)的特點(diǎn)》

電池尺寸比HEV大，且為了延長續(xù)航距離，存在著不斷增大的趨勢(shì)。

HEV的電池電壓大約為150~300V，而EV則達(dá)到了大約400~600V以上，屬于高電壓。

通過商用交流進(jìn)行充電時(shí)，需要使用車載充電器。

需要對(duì)數(shù)kW的大電力進(jìn)行處理的BMS(電池管理系統(tǒng))。

車載充電器的基本結(jié)構(gòu)與作用

EV的插電充電系統(tǒng)分為快速充電與普通充電2種。安裝于高速公路的服務(wù)區(qū)/停車區(qū)及大型商業(yè)設(shè)施等的充電樁屬于快速充電。由于使用從高壓受電設(shè)備輸送的三相交流，因此具有充電時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)，但由于需要專用充電基礎(chǔ)設(shè)施，較為花費(fèi)成本。
普通充電是使用商用交流的方式，通過家庭室外插座等，利用電纜連接EV進(jìn)行充電。與快速充電相比時(shí)間較長，但其擁有無需特意前往裝有充電樁的場(chǎng)所，在家里隨時(shí)可進(jìn)行充電，且費(fèi)用較低的特點(diǎn)。但插電充電方式中，無法直接以交流方式對(duì)電池進(jìn)行充電，因此需要使用車載充電器轉(zhuǎn)換為直流。車載充電器的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2：車載充電器(OBC：板載充電器)的基本結(jié)構(gòu)

在車載充電器中，商用交流首先通過AC區(qū)域進(jìn)行整流、平滑化，之后通過PFC（改善功率因數(shù)及抑制諧波電路）區(qū)域被送往DC-DC轉(zhuǎn)換器。DC-DC轉(zhuǎn)換器將輸入電壓轉(zhuǎn)換為合適的輸出電壓，并發(fā)揮著對(duì)驅(qū)動(dòng)用電池進(jìn)行充電的作用。
與普通電子設(shè)備中搭載的DC-DC轉(zhuǎn)換器不同，車載充電器的DC-DC轉(zhuǎn)換器在高電壓下使用，同時(shí)，為了延長續(xù)航距離，其要求具備高轉(zhuǎn)換效率。為此，采用LLC諧振型DC-DC轉(zhuǎn)換器(以下稱為LLC轉(zhuǎn)換器)的生產(chǎn)商不斷增加。

替換為MLCC的事例LLC轉(zhuǎn)換器諧振電容器

圖3所示為應(yīng)用在車載充電器中的電流諧振型LLC轉(zhuǎn)換器電路示例(全橋型)。

圖3：電流諧振型LLC轉(zhuǎn)換器的電路示例(全橋型)

Lr、Lm為變壓器的漏電感以及勵(lì)磁電感，與電容器Cr一起構(gòu)成諧振電路。由于是由2個(gè)電感(L、L)與電容器(C)構(gòu)成，因此稱為LLC轉(zhuǎn)換器。該電路中，由于諧振電容器
與變壓器串聯(lián)，因此該類型稱為串聯(lián)諧振型或電流諧振型。
普通DC-DC轉(zhuǎn)換器中采用的是PWM（脈沖調(diào)幅）方式，即通過控制以一定開關(guān)頻率向變壓器傳輸?shù)拿}沖電流幅度得到所需的輸出電壓。而LLC轉(zhuǎn)換器則是PFM(脈沖調(diào)頻)方式，即脈沖幅度保持一定，對(duì)開關(guān)頻率進(jìn)行控制。為此，諧振電容器要求擁有更為優(yōu)異特性。

電容量及tanδ的偏差較少，最適宜作為諧振電容器使用

由于LLC轉(zhuǎn)換器是使用了LC諧振的PFM方式電源，因此，變壓器以及諧振電容器都是十分重要的元件。車載充電器的LLC轉(zhuǎn)換器中所使用的諧振電容器要求具備如下特性。

《LLC轉(zhuǎn)換器諧振電容器要求具備的特性》

溫度特性優(yōu)異
由于是在諧振電路中使用，因此在溫度變化環(huán)境下電容量變化較小的特性極為重要。

耐電壓特性優(yōu)異
LLC轉(zhuǎn)換器是適用于電力較大用途的電源，但與普通電子設(shè)備相比，由于會(huì)被施加較大的電壓矩形波，因此要求具備高耐電壓（額定電壓）特性。

ESR特性優(yōu)異
由于會(huì)流經(jīng)大電流，因此同時(shí)要求具備優(yōu)異的ESR特性。

以往的車載充電器的LLC轉(zhuǎn)換器諧振電容器一般使用薄膜電容器。這是因?yàn)樗胶饩邆淞四碗妷禾匦砸约拜^高的電容量。但近年來，特性不斷逼近薄膜電容器范圍的MLCC得到開發(fā)，在車載用電子設(shè)備中，替換薄膜電容器的需求不斷提高。
通過電介質(zhì)的不同，MLCC大致可分為種類1(溫度補(bǔ)償用)與種類2(高介電常數(shù)類)。種類1的MLCC由于溫度變化導(dǎo)致的電容量變化率較小，且由于頻率特性優(yōu)異，因此用于對(duì)精度要求較高的電路等。其中，溫度特性極為優(yōu)異的C0G特性MLCC則適用于諧振電容器。其相比薄膜電容器體積更小，因此在節(jié)約空間方面也具有優(yōu)勢(shì)。

車載等級(jí)MLCC（積層貼片陶瓷片式電容器）CGA系列 C0G特性

TDK提供車載等級(jí)及CGA系列的中耐壓MLCC(額定電壓100~630V)、高耐壓MLCC(額定電壓1000V以上)等各類MLCC。其中，額定電壓為1000V、溫度特性為C0G特性、電容量為1nF~33nF的產(chǎn)品擁有以下類型。除了磁共振式無線充電共振電容器之外，在時(shí)間常數(shù)電路、濾波器電路、振蕩電路等在有高精度的要求時(shí)，需要實(shí)現(xiàn)小型化和SMT化的情況下可以用于替換薄膜電容。同時(shí)，為了進(jìn)一步提高可靠性，對(duì)于基板彎曲導(dǎo)致的元件體開裂、熱沖擊導(dǎo)致的焊錫開裂以及振動(dòng)等外部環(huán)境因素具有較強(qiáng)耐受性的金屬支架電容及樹脂電極品系列也一應(yīng)俱全。
EV及自動(dòng)駕駛等新一代汽車的發(fā)展關(guān)鍵在于對(duì)電池進(jìn)行高效充電的無線充電技術(shù)。在磁共振式無線充電中，諧振電容器的特性與電力傳輸效率息息相關(guān)。實(shí)現(xiàn)耐電壓1000V的TDK的C0G特性·高耐壓MLCC是作為EV無線充電中的諧振電容器，具備最佳特性的溫度補(bǔ)償用(種類1)MLCC。同時(shí)，由于ESR極低，這也是C0G特性·高耐壓MLCC所不可忽視的重要因素。TDK將通過擴(kuò)大耐電壓及電容量范圍等方式，進(jìn)一步豐富產(chǎn)品線。

* C0G：–55～+125°C中溫度系數(shù)在0±30ppm/°C以內(nèi)