在全球汽車行業電動化轉型的大背景下，電動汽車(EV)的普及速度日益加快。隨著用戶對電動汽車續航里程和充電速度需求的不斷提升，車載充電器(OBC)作為電動汽車的關鍵部件，其性能提升和設計改進顯得尤為重要。為了滿足更高的功率等級和電壓要求，OBC 設計正經歷著一系列深刻變革。

一、OBC 的重要性及發展背景

OBC 的主要功能是將交流電轉換為直流電，從而為電動汽車的電池充電。在當前的充電基礎設施中，雖然直流快充技術發展迅速，但交流充電憑借其廣泛的分布和較低的成本，依然是電動汽車充電的重要方式。這使得 OBC 在電動汽車領域不可或缺。

早期電動汽車的 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，隨著電動汽車技術的發展，電池電壓逐漸從傳統的 400V 向 800V 甚至更高電壓平臺邁進。這不僅是為了提高電池的能量密度和續航能力，還能有效降低電流，減少傳輸過程中的能量損耗。例如，在一些高端電動汽車中，800V 電池架構已開始應用，這就要求 OBC 必須具備更高的電壓轉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

隨著電動汽車電池容量的不斷增大，如從早期的幾十千瓦時發展到如今部分車型超過 100 千瓦時，若繼續使用低功率的 OBC 進行充電，充電時間將變得難以接受。以一款 100 千瓦時電池容量的電動汽車為例，使用 7kW 的 OBC 充電，理論上充滿電需要超過 14 小時。因此，為了縮短充電時間，行業開始向更高功率等級的 OBC 發展，目標功率范圍逐漸提升至 11kW 至 22kW 甚至更高。

(二)適應高電壓平臺

隨著 800V 電池架構的逐漸普及，OBC 需要對其進行適配。在傳統 400V 系統中，OBC 使用的 650V 額定電壓的功率器件和芯片，無法直接應用到 800V 架構中。因為更高的電壓對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，例如將標準的 650V 額定芯片元件過渡到額定電壓最高達 1200V 的芯片元件。

三、OBC 設計改進的挑戰

(一)散熱管理

隨著功率等級的提升，OBC 在工作過程中產生的熱量大幅增加。以從 7kW 提升到 22kW 功率為例，發熱量可能會增加數倍。而電動汽車內部空間有限，難以容納過大的散熱裝置。如果不能有效解決散熱問題，過高的溫度將影響 OBC 中電子元件的性能和壽命，甚至導致系統故障。例如，功率半導體如 SiC MOSFET 的散熱依賴于熱界面材料(TIM)的均勻壓縮，但在實際應用中，PCB 翹曲、冷卻板變形和 TIM 不均勻壓縮等問題，可能導致局部過熱。

(二)封裝限制

更高的功率等級和電壓要求，意味著 OBC 需要集成更多高性能的電子元件，這對其封裝設計提出了挑戰。一方面，要在有限的空間內合理布局這些元件，確保電氣連接可靠、信號傳輸穩定;另一方面，封裝材料需要具備更高的絕緣性能和散熱性能，以適應高電壓和高功率帶來的影響。

(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，往往會增加器件成本。而在電動汽車市場競爭激烈的情況下，控制 OBC 的成本對于整車成本控制至關重要。如何在保證性能的前提下，降低器件成本，是 OBC 設計改進需要解決的問題。

(四)電磁兼容性(EMC)

OBC 在工作過程中會產生電磁干擾，尤其是在高功率和高電壓條件下，電磁干擾問題可能更加嚴重。如果不能有效解決 EMC 問題，不僅會影響 OBC 自身的正常工作，還可能對電動汽車上的其他電子設備產生干擾，影響整車的安全性和可靠性。

(五)安全問題

更高電壓的系統需要更強的絕緣和安全功能。在設計 OBC 時，必須確保在高電壓下，系統不會對人員和車輛造成安全隱患。同時，對于高電壓系統的測試和驗證也更為復雜，需要專門的設備和專業知識，以確保系統的安全性和可靠性。

四、OBC 設計改進的方向與策略

(一)采用新型半導體材料

在應對高電壓和高功率挑戰方面，碳化硅(SiC)等新型半導體材料展現出明顯優勢。與傳統硅材料相比，SiC 具有更高的擊穿電場強度、更高的熱導率和更低的導通電阻。在需要更快 MOSFET 開關的更高電壓應用(例如 OBC)中，改用 SiC 元件可以有效降低導通損耗和開關損耗，提高充電效率。例如，英飛凌在其 OBC 技術路線圖中提到，支持三相交流電網輸入和 800V 電池電壓的 OBC 可以采用 1200V SiC MOSFET，配合帶 CLLC DC/DC 諧振轉換器的三相 PFC，能夠實現更高的功率密度和更優的性能。

(二)優化電路拓撲結構

通過采用先進的電路拓撲結構，可以提高 OBC 的功率轉換效率和性能。例如，多端口串聯諧振拓撲等技術能夠優化電能轉換過程，減少能量損失。同時，在設計電路拓撲時，充分考慮功率因數校正(PFC)功能，調整電壓和電流相位，最大限度地減少對交流電網的影響。對于雙向 OBC，還需要設計合適的拓撲結構，以實現電池與電網之間的雙向能量傳輸。

(三)創新散熱技術

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

(四)集成化與模塊化設計

采用集成化與模塊化設計理念，將多個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的 1200V SiC 器件，針對 800V 電池架構進行了優化，適用于高電壓和功率級 OBC。該系列模塊包括用于功率因數校正(PFC)級的三相橋模塊，相較于分立方案，具有尺寸更小、散熱設計更佳、雜散電感更低、內部鍵合電阻更低、電流能力更強、EMC 性能更好、可靠性更高等優勢，有助于創建高性能雙向 OBC。

(五)提升電磁兼容性設計

在 OBC 設計過程中，從電路布局、屏蔽設計、濾波電路等多個方面入手，提升電磁兼容性。合理布局電路，減少信號之間的干擾;采用屏蔽材料對敏感元件進行屏蔽，防止電磁干擾的傳播;設計合適的濾波電路，濾除高頻干擾信號。同時，在產品研發階段，通過嚴格的 EMC 測試，對設計進行優化和改進，確保 OBC 滿足相關的電磁兼容性標準。

五、結語

隨著電動汽車技術的不斷發展，對 OBC 的功率等級和電壓適應性提出了更高要求。通過不斷改進 OBC 設計，采用新型半導體材料、優化電路拓撲結構、創新散熱技術、進行集成化與模塊化設計以及提升電磁兼容性設計等策略，可以有效應對這些挑戰，提升 OBC 的性能和可靠性。這不僅能夠滿足消費者對電動汽車充電速度和便捷性的需求，還將推動電動汽車行業的進一步發展，為實現綠色出行目標提供有力支持。在未來，隨著技術的持續進步，OBC 設計有望取得更多突破，為電動汽車的廣泛普及奠定堅實基礎。