在全球汽車行業(yè)電動(dòng)化轉(zhuǎn)型的大背景下，電動(dòng)汽車(EV)的普及速度日益加快。隨著用戶對(duì)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程和充電速度需求的不斷提升，車載充電器(OBC)作為電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件，其性能提升和設(shè)計(jì)改進(jìn)顯得尤為重要。為了滿足更高的功率等級(jí)和電壓要求，OBC 設(shè)計(jì)正經(jīng)歷著一系列深刻變革。

一、OBC 的重要性及發(fā)展背景

OBC 的主要功能是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，從而為電動(dòng)汽車的電池充電。在當(dāng)前的充電基礎(chǔ)設(shè)施中，雖然直流快充技術(shù)發(fā)展迅速，但交流充電憑借其廣泛的分布和較低的成本，依然是電動(dòng)汽車充電的重要方式。這使得 OBC 在電動(dòng)汽車領(lǐng)域不可或缺。

早期電動(dòng)汽車的 OBC 功率普遍較低，一般在 3.6kW 以下，難以滿足如今大容量電池的快速充電需求。同時(shí)，隨著電動(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展，電池電壓逐漸從傳統(tǒng)的 400V 向 800V 甚至更高電壓平臺(tái)邁進(jìn)。這不僅是為了提高電池的能量密度和續(xù)航能力，還能有效降低電流，減少傳輸過(guò)程中的能量損耗。例如，在一些高端電動(dòng)汽車中，800V 電池架構(gòu)已開(kāi)始應(yīng)用，這就要求 OBC 必須具備更高的電壓轉(zhuǎn)換能力和功率處理能力。

二、OBC 面臨的新需求

(一)更高的功率等級(jí)

隨著電動(dòng)汽車電池容量的不斷增大，如從早期的幾十千瓦時(shí)發(fā)展到如今部分車型超過(guò) 100 千瓦時(shí)，若繼續(xù)使用低功率的 OBC 進(jìn)行充電，充電時(shí)間將變得難以接受。以一款 100 千瓦時(shí)電池容量的電動(dòng)汽車為例，使用 7kW 的 OBC 充電，理論上充滿電需要超過(guò) 14 小時(shí)。因此，為了縮短充電時(shí)間，行業(yè)開(kāi)始向更高功率等級(jí)的 OBC 發(fā)展，目標(biāo)功率范圍逐漸提升至 11kW 至 22kW 甚至更高。

(二)適應(yīng)高電壓平臺(tái)

隨著 800V 電池架構(gòu)的逐漸普及，OBC 需要對(duì)其進(jìn)行適配。在傳統(tǒng) 400V 系統(tǒng)中，OBC 使用的 650V 額定電壓的功率器件和芯片，無(wú)法直接應(yīng)用到 800V 架構(gòu)中。因?yàn)楦叩碾妷簩?duì)器件的耐壓能力提出了更高要求，需要采用擊穿電壓更高的元件，例如將標(biāo)準(zhǔn)的 650V 額定芯片元件過(guò)渡到額定電壓最高達(dá) 1200V 的芯片元件。

三、OBC 設(shè)計(jì)改進(jìn)的挑戰(zhàn)

(一)散熱管理

隨著功率等級(jí)的提升，OBC 在工作過(guò)程中產(chǎn)生的熱量大幅增加。以從 7kW 提升到 22kW 功率為例，發(fā)熱量可能會(huì)增加數(shù)倍。而電動(dòng)汽車內(nèi)部空間有限，難以容納過(guò)大的散熱裝置。如果不能有效解決散熱問(wèn)題，過(guò)高的溫度將影響 OBC 中電子元件的性能和壽命，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)故障。例如，功率半導(dǎo)體如 SiC MOSFET 的散熱依賴于熱界面材料(TIM)的均勻壓縮，但在實(shí)際應(yīng)用中，PCB 翹曲、冷卻板變形和 TIM 不均勻壓縮等問(wèn)題，可能導(dǎo)致局部過(guò)熱。

(二)封裝限制

更高的功率等級(jí)和電壓要求，意味著 OBC 需要集成更多高性能的電子元件，這對(duì)其封裝設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)。一方面，要在有限的空間內(nèi)合理布局這些元件，確保電氣連接可靠、信號(hào)傳輸穩(wěn)定;另一方面，封裝材料需要具備更高的絕緣性能和散熱性能，以適應(yīng)高電壓和高功率帶來(lái)的影響。

(三)器件成本

采用更高耐壓和性能的元件，如 1200V 的芯片元件，以及高性能的碳化硅(SiC)元件等，往往會(huì)增加器件成本。而在電動(dòng)汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈的情況下，控制 OBC 的成本對(duì)于整車成本控制至關(guān)重要。如何在保證性能的前提下，降低器件成本，是 OBC 設(shè)計(jì)改進(jìn)需要解決的問(wèn)題。

(四)電磁兼容性(EMC)

OBC 在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，尤其是在高功率和高電壓條件下，電磁干擾問(wèn)題可能更加嚴(yán)重。如果不能有效解決 EMC 問(wèn)題，不僅會(huì)影響 OBC 自身的正常工作，還可能對(duì)電動(dòng)汽車上的其他電子設(shè)備產(chǎn)生干擾，影響整車的安全性和可靠性。

(五)安全問(wèn)題

更高電壓的系統(tǒng)需要更強(qiáng)的絕緣和安全功能。在設(shè)計(jì) OBC 時(shí)，必須確保在高電壓下，系統(tǒng)不會(huì)對(duì)人員和車輛造成安全隱患。同時(shí)，對(duì)于高電壓系統(tǒng)的測(cè)試和驗(yàn)證也更為復(fù)雜，需要專門的設(shè)備和專業(yè)知識(shí)，以確保系統(tǒng)的安全性和可靠性。

四、OBC 設(shè)計(jì)改進(jìn)的方向與策略

(一)采用新型半導(dǎo)體材料

在應(yīng)對(duì)高電壓和高功率挑戰(zhàn)方面，碳化硅(SiC)等新型半導(dǎo)體材料展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)硅材料相比，SiC 具有更高的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度、更高的熱導(dǎo)率和更低的導(dǎo)通電阻。在需要更快 MOSFET 開(kāi)關(guān)的更高電壓應(yīng)用(例如 OBC)中，改用 SiC 元件可以有效降低導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗，提高充電效率。例如，英飛凌在其 OBC 技術(shù)路線圖中提到，支持三相交流電網(wǎng)輸入和 800V 電池電壓的 OBC 可以采用 1200V SiC MOSFET，配合帶 CLLC DC/DC 諧振轉(zhuǎn)換器的三相 PFC，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的功率密度和更優(yōu)的性能。

(二)優(yōu)化電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

通過(guò)采用先進(jìn)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以提高 OBC 的功率轉(zhuǎn)換效率和性能。例如，多端口串聯(lián)諧振拓?fù)涞燃夹g(shù)能夠優(yōu)化電能轉(zhuǎn)換過(guò)程，減少能量損失。同時(shí)，在設(shè)計(jì)電路拓?fù)鋾r(shí)，充分考慮功率因數(shù)校正(PFC)功能，調(diào)整電壓和電流相位，最大限度地減少對(duì)交流電網(wǎng)的影響。對(duì)于雙向 OBC，還需要設(shè)計(jì)合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)電池與電網(wǎng)之間的雙向能量傳輸。

(三)創(chuàng)新散熱技術(shù)

為了解決散熱難題，可采用雙面冷卻技術(shù)、微通道冷卻技術(shù)等創(chuàng)新散熱技術(shù)。雙面冷卻技術(shù)能夠大幅降低功率器件的峰值溫度，提高系統(tǒng)效率。微通道冷卻技術(shù)則通過(guò)在冷卻板中設(shè)計(jì)微小的通道，增加冷卻液與發(fā)熱元件的接觸面積，提高散熱效率。此外，合理設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)的布局，確保冷卻液均勻分布，避免出現(xiàn)熱熱點(diǎn)。同時(shí)，在器件布局上，將發(fā)熱量大的組件靠近散熱系統(tǒng)，并預(yù)留足夠的空間用于空氣流通或冷卻液通道。

(四)集成化與模塊化設(shè)計(jì)

采用集成化與模塊化設(shè)計(jì)理念，將多個(gè)功能模塊集成在一起，可以減少 OBC 的體積和重量，提高功率密度。例如，安森美的 APM32 功率模塊系列集成了先進(jìn)的 1200V SiC 器件，針對(duì) 800V 電池架構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，適用于高電壓和功率級(jí) OBC。該系列模塊包括用于功率因數(shù)校正(PFC)級(jí)的三相橋模塊，相較于分立方案，具有尺寸更小、散熱設(shè)計(jì)更佳、雜散電感更低、內(nèi)部鍵合電阻更低、電流能力更強(qiáng)、EMC 性能更好、可靠性更高等優(yōu)勢(shì)，有助于創(chuàng)建高性能雙向 OBC。

(五)提升電磁兼容性設(shè)計(jì)

在 OBC 設(shè)計(jì)過(guò)程中，從電路布局、屏蔽設(shè)計(jì)、濾波電路等多個(gè)方面入手，提升電磁兼容性。合理布局電路，減少信號(hào)之間的干擾;采用屏蔽材料對(duì)敏感元件進(jìn)行屏蔽，防止電磁干擾的傳播;設(shè)計(jì)合適的濾波電路，濾除高頻干擾信號(hào)。同時(shí)，在產(chǎn)品研發(fā)階段，通過(guò)嚴(yán)格的 EMC 測(cè)試，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，確保 OBC 滿足相關(guān)的電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)。

五、結(jié)語(yǔ)

隨著電動(dòng)汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì) OBC 的功率等級(jí)和電壓適應(yīng)性提出了更高要求。通過(guò)不斷改進(jìn) OBC 設(shè)計(jì)，采用新型半導(dǎo)體材料、優(yōu)化電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、創(chuàng)新散熱技術(shù)、進(jìn)行集成化與模塊化設(shè)計(jì)以及提升電磁兼容性設(shè)計(jì)等策略，可以有效應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，提升 OBC 的性能和可靠性。這不僅能夠滿足消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)汽車充電速度和便捷性的需求，還將推動(dòng)電動(dòng)汽車行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)綠色出行目標(biāo)提供有力支持。在未來(lái)，隨著技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，OBC 設(shè)計(jì)有望取得更多突破，為電動(dòng)汽車的廣泛普及奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。