Vol.3 在EV无线充电系统中的应用-电子发烧友网

解决指南

Vol.3 在EV插电式充电系统中的应用

概要

随着MLCC(积层贴片陶瓷片式电容器)的大容量化以及高耐压化发展，以往主要使用薄膜电容器的领域中也逐渐被MLCC所取代。尤其是具有优异温度特性的温度补偿用(种类1)C0G特性的MLCC，在要求高精度及高可靠性的用途中，除了能够大幅节约空间，还可带来众多替换优点。
C0G特性的标准极为严格，在-55～+125°C的温度范围内，温度系数为0ppm/°C，允许差为±30ppm/°C。TDK的C0G特性·高耐压MLCC是一款通过C0G特性，在行业最高等级的广电容量范围(1nF～33nF)内实现了1000V耐电压的产品。在解决方案指南“将薄膜电容器替换为MLCC的指南Vol.2”中虽然对EV的无线充电系统进行了说明，但在当前，带动EV得到普及的则是通过家庭用AC 电源为EV(BEV/PHV)的驱动用电池进行充电的插电方式。
以下就将插电充电系统的车载充电器(OBC：板载充电器)中的薄膜电容器替换为MLCC，以及相关优点为中心进行说明。

插电式充电需要车载充电器

HEV与EV(BEV)的不同点如图1所示。

图1：HEV与EV(BEV)的比较

最大的不同点在于，HEV是通过并用燃料式发动机与电马达行驶，而EV仅依靠电马达行驶。为此，对于EV而言，从外部电源为驱动用电池充电的系统变得不可或缺。
电池容量越大，续航距离则越长。为此，EV的电池尺寸存在增大的趋势。同时，为了缩短充电时间，电池电压存在升高的趋势

《EV(BEV)的特点》

电池尺寸比HEV大，且为了延长续航距离，存在着不断增大的趋势。

HEV的电池电压大约为150~300V，而EV则达到了大约400~600V以上，属于高电压。

通过商用交流进行充电时，需要使用车载充电器。

需要对数kW的大电力进行处理的BMS(电池管理系统)。

车载充电器的基本结构与作用

EV的插电充电系统分为快速充电与普通充电2种。安装于高速公路的服务区/停车区及大型商业设施等的充电桩属于快速充电。由于使用从高压受电设备输送的三相交流，因此具有充电时间短的优点，但由于需要专用充电基础设施，较为花费成本。
普通充电是使用商用交流的方式，通过家庭室外插座等，利用电缆连接EV进行充电。与快速充电相比时间较长，但其拥有无需特意前往装有充电桩的场所，在家里随时可进行充电，且费用较低的特点。但插电充电方式中，无法直接以交流方式对电池进行充电，因此需要使用车载充电器转换为直流。车载充电器的基本结构如图2所示。

图2：车载充电器(OBC：板载充电器)的基本结构

在车载充电器中，商用交流首先通过AC区域进行整流、平滑化，之后通过PFC（改善功率因数及抑制谐波电路）区域被送往DC-DC转换器。DC-DC转换器将输入电压转换为合适的输出电压，并发挥着对驱动用电池进行充电的作用。
与普通电子设备中搭载的DC-DC转换器不同，车载充电器的DC-DC转换器在高电压下使用，同时，为了延长续航距离，其要求具备高转换效率。为此，采用LLC谐振型DC-DC转换器(以下称为LLC转换器)的生产商不断增加。

替换为MLCC的事例LLC转换器谐振电容器

图3所示为应用在车载充电器中的电流谐振型LLC转换器电路示例(全桥型)。

图3：电流谐振型LLC转换器的电路示例(全桥型)

Lr、Lm为变压器的漏电感以及励磁电感，与电容器Cr一起构成谐振电路。由于是由2个电感(L、L)与电容器(C)构成，因此称为LLC转换器。该电路中，由于谐振电容器
与变压器串联，因此该类型称为串联谐振型或电流谐振型。
普通DC-DC转换器中采用的是PWM（脉冲调幅）方式，即通过控制以一定开关频率向变压器传输的脉冲电流幅度得到所需的输出电压。而LLC转换器则是PFM(脉冲调频)方式，即脉冲幅度保持一定，对开关频率进行控制。为此，谐振电容器要求拥有更为优异特性。

电容量及tanδ的偏差较少，最适宜作为谐振电容器使用

由于LLC转换器是使用了LC谐振的PFM方式电源，因此，变压器以及谐振电容器都是十分重要的元件。车载充电器的LLC转换器中所使用的谐振电容器要求具备如下特性。

《LLC转换器谐振电容器要求具备的特性》

温度特性优异
由于是在谐振电路中使用，因此在温度变化环境下电容量变化较小的特性极为重要。

耐电压特性优异
LLC转换器是适用于电力较大用途的电源，但与普通电子设备相比，由于会被施加较大的电压矩形波，因此要求具备高耐电压（额定电压）特性。

ESR特性优异
由于会流经大电流，因此同时要求具备优异的ESR特性。

以往的车载充电器的LLC转换器谐振电容器一般使用薄膜电容器。这是因为它平衡具备了耐电压特性以及较高的电容量。但近年来，特性不断逼近薄膜电容器范围的MLCC得到开发，在车载用电子设备中，替换薄膜电容器的需求不断提高。
通过电介质的不同，MLCC大致可分为种类1(温度补偿用)与种类2(高介电常数类)。种类1的MLCC由于温度变化导致的电容量变化率较小，且由于频率特性优异，因此用于对精度要求较高的电路等。其中，温度特性极为优异的C0G特性MLCC则适用于谐振电容器。其相比薄膜电容器体积更小，因此在节约空间方面也具有优势。

车载等级MLCC（积层贴片陶瓷片式电容器）CGA系列 C0G特性

TDK提供车载等级及CGA系列的中耐压MLCC(额定电压100~630V)、高耐压MLCC(额定电压1000V以上)等各类MLCC。其中，额定电压为1000V、温度特性为C0G特性、电容量为1nF~33nF的产品拥有以下类型。除了磁共振式无线充电共振电容器之外，在时间常数电路、滤波器电路、振荡电路等在有高精度的要求时，需要实现小型化和SMT化的情况下可以用于替换薄膜电容。同时，为了进一步提高可靠性，对于基板弯曲导致的元件体开裂、热冲击导致的焊锡开裂以及振动等外部环境因素具有较强耐受性的金属支架电容及树脂电极品系列也一应俱全。
EV及自动驾驶等新一代汽车的发展关键在于对电池进行高效充电的无线充电技术。在磁共振式无线充电中，谐振电容器的特性与电力传输效率息息相关。实现耐电压1000V的TDK的C0G特性·高耐压MLCC是作为EV无线充电中的谐振电容器，具备最佳特性的温度补偿用(种类1)MLCC。同时，由于ESR极低，这也是C0G特性·高耐压MLCC所不可忽视的重要因素。TDK将通过扩大耐电压及电容量范围等方式，进一步丰富产品线。