解決指南

Vol.3 在EV插電式充電系統中的應用

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展，以往主要使用薄膜電容器的領域中也逐漸被MLCC所取代。尤其是具有優異溫度特性的溫度補償用(種類1)C0G特性的MLCC，在要求高精度及高可靠性的用途中，除了能夠大幅節約空間，還可帶來眾多替換優點。
C0G特性的標準極為嚴格，在-55～+125°C的溫度范圍內，溫度系數為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，在行業最高等級的廣電容量范圍(1nF～33nF)內實現了1000V耐電壓的產品。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EV的無線充電系統進行了說明，但在當前，帶動EV得到普及的則是通過家庭用AC電源為EV(BEV/PHV)的驅動用電池進行充電的插電方式。
以下就將插電充電系統的車載充電器(OBC：板載充電器)中的薄膜電容器替換為MLCC，以及相關優點為中心進行說明。

插電式充電需要車載充電器

HEV與EV(BEV)的不同點如圖1所示。

圖1：HEV與EV(BEV)的比較

最大的不同點在于，HEV是通過并用燃料式發動機與電馬達行駛，而EV僅依靠電馬達行駛。為此，對于EV而言，從外部電源為驅動用電池充電的系統變得不可或缺。
電池容量越大，續航距離則越長。為此，EV的電池尺寸存在增大的趨勢。同時，為了縮短充電時間，電池電壓存在升高的趨勢

《EV(BEV)的特點》

電池尺寸比HEV大，且為了延長續航距離，存在著不斷增大的趨勢。

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

通過商用交流進行充電時，需要使用車載充電器。

需要對數kW的大電力進行處理的BMS(電池管理系統)。

車載充電器的基本結構與作用

EV的插電充電系統分為快速充電與普通充電2種。安裝于高速公路的服務區/停車區及大型商業設施等的充電樁屬于快速充電。由于使用從高壓受電設備輸送的三相交流，因此具有充電時間短的優點，但由于需要專用充電基礎設施，較為花費成本。
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進行充電。與快速充電相比時間較長，但其擁有無需特意前往裝有充電樁的場所，在家里隨時可進行充電，且費用較低的特點。但插電充電方式中，無法直接以交流方式對電池進行充電，因此需要使用車載充電器轉換為直流。車載充電器的基本結構如圖2所示。

圖2：車載充電器(OBC：板載充電器)的基本結構

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

替換為MLCC的事例LLC轉換器諧振電容器

圖3所示為應用在車載充電器中的電流諧振型LLC轉換器電路示例(全橋型)。

圖3：電流諧振型LLC轉換器的電路示例(全橋型)

Lr、Lm為變壓器的漏電感以及勵磁電感，與電容器Cr一起構成諧振電路。由于是由2個電感(L、L)與電容器(C)構成，因此稱為LLC轉換器。該電路中，由于諧振電容器
與變壓器串聯，因此該類型稱為串聯諧振型或電流諧振型。
普通DC-DC轉換器中采用的是PWM（脈沖調幅）方式，即通過控制以一定開關頻率向變壓器傳輸的脈沖電流幅度得到所需的輸出電壓。而LLC轉換器則是PFM(脈沖調頻)方式，即脈沖幅度保持一定，對開關頻率進行控制。為此，諧振電容器要求擁有更為優異特性。

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轉換器中所使用的諧振電容器要求具備如下特性。

《LLC轉換器諧振電容器要求具備的特性》

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

耐電壓特性優異
LLC轉換器是適用于電力較大用途的電源，但與普通電子設備相比，由于會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特性優異
由于會流經大電流，因此同時要求具備優異的ESR特性。

以往的車載充電器的LLC轉換器諧振電容器一般使用薄膜電容器。這是因為它平衡具備了耐電壓特性以及較高的電容量。但近年來，特性不斷逼近薄膜電容器范圍的MLCC得到開發，在車載用電子設備中，替換薄膜電容器的需求不斷提高。
通過電介質的不同，MLCC大致可分為種類1(溫度補償用)與種類2(高介電常數類)。種類1的MLCC由于溫度變化導致的電容量變化率較小，且由于頻率特性優異，因此用于對精度要求較高的電路等。其中，溫度特性極為優異的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，因此在節約空間方面也具有優勢。

車載等級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，在時間常數電路、濾波器電路、振蕩電路等在有高精度的要求時，需要實現小型化和SMT化的情況下可以用于替換薄膜電容。同時，為了進一步提高可靠性，對于基板彎曲導致的元件體開裂、熱沖擊導致的焊錫開裂以及振動等外部環境因素具有較強耐受性的金屬支架電容及樹脂電極品系列也一應俱全。
EV及自動駕駛等新一代汽車的發展關鍵在于對電池進行高效充電的無線充電技術。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。實現耐電壓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償用(種類1)MLCC。同時，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將通過擴大耐電壓及電容量范圍等方式，進一步豐富產品線。

* C0G：–55～+125°C中溫度系數在0±30ppm/°C以內