电动汽车(EV)的普及速度日益加快

在全球汽车行业电动化转型的大背景下，电动汽车(EV)的普及速度日益加快。随着用户对电动汽车续航里程和充电速度需求的不断提升，车载充电器(OBC)作为电动汽车的关键部件，其性能提升和设计改进显得尤为重要。为了满足更高的功率等级和电压要求，OBC 设计正经历着一系列深刻变革。

一、OBC 的重要性及发展背景

OBC 的主要功能是将交流电转换为直流电，从而为电动汽车的电池充电。在当前的充电基础设施中，虽然直流快充技术发展迅速，但交流充电凭借其广泛的分布和较低的成本，依然是电动汽车充电的重要方式。这使得 OBC 在电动汽车领域不可或缺。

早期电动汽车的 OBC 功率普遍较低，一般在 3.6kW 以下，难以满足如今大容量电池的快速充电需求。同时，随着电动汽车技术的发展，电池电压逐渐从传统的 400V 向 800V 甚至更高电压平台迈进。这不仅是为了提高电池的能量密度和续航能力，还能有效降低电流，减少传输过程中的能量损耗。例如，在一些高端电动汽车中，800V 电池架构已开始应用，这就要求 OBC 必须具备更高的电压转换能力和功率处理能力。

二、OBC 面临的新需求

(一)更高的功率等级

随着电动汽车电池容量的不断增大，如从早期的几十千瓦时发展到如今部分车型超过 100 千瓦时，若继续使用低功率的 OBC 进行充电，充电时间将变得难以接受。以一款 100 千瓦时电池容量的电动汽车为例，使用 7kW 的 OBC 充电，理论上充满电需要超过 14 小时。因此，为了缩短充电时间，行业开始向更高功率等级的 OBC 发展，目标功率范围逐渐提升至 11kW 至 22kW 甚至更高。

(二)适应高电压平台

随着 800V 电池架构的逐渐普及，OBC 需要对其进行适配。在传统 400V 系统中，OBC 使用的 650V 额定电压的功率器件和芯片，无法直接应用到 800V 架构中。因为更高的电压对器件的耐压能力提出了更高要求，需要采用击穿电压更高的元件，例如将标准的 650V 额定芯片元件过渡到额定电压最高达 1200V 的芯片元件。

三、OBC 设计改进的挑战

(一)散热管理

随着功率等级的提升，OBC 在工作过程中产生的热量大幅增加。以从 7kW 提升到 22kW 功率为例，发热量可能会增加数倍。而电动汽车内部空间有限，难以容纳过大的散热装置。如果不能有效解决散热问题，过高的温度将影响 OBC 中电子元件的性能和寿命，甚至导致系统故障。例如，功率半导体如 SiC MOSFET 的散热依赖于热界面材料(TIM)的均匀压缩，但在实际应用中，PCB 翘曲、冷却板变形和 TIM 不均匀压缩等问题，可能导致局部过热。

(二)封装限制

更高的功率等级和电压要求，意味着 OBC 需要集成更多高性能的电子元件，这对其封装设计提出了挑战。一方面，要在有限的空间内合理布局这些元件，确保电气连接可靠、信号传输稳定;另一方面，封装材料需要具备更高的绝缘性能和散热性能，以适应高电压和高功率带来的影响。

(三)器件成本

采用更高耐压和性能的元件，如 1200V 的芯片元件，以及高性能的碳化硅(SiC)元件等，往往会增加器件成本。而在电动汽车市场竞争激烈的情况下，控制 OBC 的成本对于整车成本控制至关重要。如何在保证性能的前提下，降低器件成本，是 OBC 设计改进需要解决的问题。

(四)电磁兼容性(EMC)

OBC 在工作过程中会产生电磁干扰，尤其是在高功率和高电压条件下，电磁干扰问题可能更加严重。如果不能有效解决 EMC 问题，不仅会影响 OBC 自身的正常工作，还可能对电动汽车上的其他电子设备产生干扰，影响整车的安全性和可靠性。

(五)安全问题

更高电压的系统需要更强的绝缘和安全功能。在设计 OBC 时，必须确保在高电压下，系统不会对人员和车辆造成安全隐患。同时，对于高电压系统的测试和验证也更为复杂，需要专门的设备和专业知识，以确保系统的安全性和可靠性。

四、OBC 设计改进的方向与策略

(一)采用新型半导体材料

在应对高电压和高功率挑战方面，碳化硅(SiC)等新型半导体材料展现出明显优势。与传统硅材料相比，SiC 具有更高的击穿电场强度、更高的热导率和更低的导通电阻。在需要更快 MOSFET 开关的更高电压应用(例如 OBC)中，改用 SiC 元件可以有效降低导通损耗和开关损耗，提高充电效率。例如，英飞凌在其 OBC 技术路线图中提到，支持三相交流电网输入和 800V 电池电压的 OBC 可以采用 1200V SiC MOSFET，配合带 CLLC DC/DC 谐振转换器的三相 PFC，能够实现更高的功率密度和更优的性能。

(二)优化电路拓扑结构

通过采用先进的电路拓扑结构，可以提高 OBC 的功率转换效率和性能。例如，多端口串联谐振拓扑等技术能够优化电能转换过程，减少能量损失。同时，在设计电路拓扑时，充分考虑功率因数校正(PFC)功能，调整电压和电流相位，最大限度地减少对交流电网的影响。对于双向 OBC，还需要设计合适的拓扑结构，以实现电池与电网之间的双向能量传输。

(三)创新散热技术

为了解决散热难题，可采用双面冷却技术、微通道冷却技术等创新散热技术。双面冷却技术能够大幅降低功率器件的峰值温度，提高系统效率。微通道冷却技术则通过在冷却板中设计微小的通道，增加冷却液与发热元件的接触面积，提高散热效率。此外，合理设计冷却系统的布局，确保冷却液均匀分布，避免出现热热点。同时，在器件布局上，将发热量大的组件靠近散热系统，并预留足够的空间用于空气流通或冷却液通道。

(四)集成化与模块化设计

采用集成化与模块化设计理念，将多个功能模块集成在一起，可以减少 OBC 的体积和重量，提高功率密度。例如，安森美的 APM32 功率模块系列集成了先进的 1200V SiC 器件，针对 800V 电池架构进行了优化，适用于高电压和功率级 OBC。该系列模块包括用于功率因数校正(PFC)级的三相桥模块，相较于分立方案，具有尺寸更小、散热设计更佳、杂散电感更低、内部键合电阻更低、电流能力更强、EMC 性能更好、可靠性更高等优势，有助于创建高性能双向 OBC。

(五)提升电磁兼容性设计

在 OBC 设计过程中，从电路布局、屏蔽设计、滤波电路等多个方面入手，提升电磁兼容性。合理布局电路，减少信号之间的干扰;采用屏蔽材料对敏感元件进行屏蔽，防止电磁干扰的传播;设计合适的滤波电路，滤除高频干扰信号。同时，在产品研发阶段，通过严格的 EMC 测试，对设计进行优化和改进，确保 OBC 满足相关的电磁兼容性标准。

五、结语

随着电动汽车技术的不断发展，对 OBC 的功率等级和电压适应性提出了更高要求。通过不断改进 OBC 设计，采用新型半导体材料、优化电路拓扑结构、创新散热技术、进行集成化与模块化设计以及提升电磁兼容性设计等策略，可以有效应对这些挑战，提升 OBC 的性能和可靠性。这不仅能够满足消费者对电动汽车充电速度和便捷性的需求，还将推动电动汽车行业的进一步发展，为实现绿色出行目标提供有力支持。在未来，随着技术的持续进步，OBC 设计有望取得更多突破，为电动汽车的广泛普及奠定坚实基础。