车载充电机OBC(On-boardCharger)的技术方向与碳化硅应用

车载充电机(On-BoardCharger，简称为OBC)的基本功能是：电网电压经由地面交流充电桩、交流充电口，连接至车载充电机，给车载动力电池进行慢速充电。

对于新能源汽车普通消费者而言，主要关注两个体验：一个是驾乘体验，包括动力性、舒适性、娱乐性等；另外一个则是充电体验。

充电体验是个什么概念呢？结合OBC的规格参数来说，11kW的OBC，意味着充满88kWh的电池(续航里程大概在650km-750km)，需要8h。如果与充满一部手机或者加满一辆燃油车的时间来对比，这个时间无疑是漫长。但需要注意的是，11kWh的OBC实际上已经算是功率较高的水平，满足日常需求完全没问题因此不断提高充电速率是OBC的发展方向。

大致的了解了OBC背景，接下来看一下OBC内部设计。

OBC由PFC(PowerFactorCorrection：功率因数校正器)+隔离DC-DC组成的AC-DC转换器。

OBC在纯电动汽车(BEV)、插电式混合动力汽车(PHEV)和潜在的燃料电池汽车(FCEV)中都有所使用。这三种电动汽车(EV)统称为新能源汽车(NEV)，但对系统级充电功能的要求各不相同

接受交流电输入并将其转换为直流电输出的核心功能，为高压电池组充电提供了适当的电压和电流。一般而言，这种功能由于只提供从电网到汽车的输电，因此是单向的。OBC单元会根据整个电池的健康状况和电荷状态，改变电压和电流

常见的OBC功率水平及PFC拓扑结构矩阵如下：

下图展示了3.3kW、6.6kW、11kW和22kWOBC相关的典型车型、电池尺寸、从0%至100%的充电时间以及竞争性技术。

车载充电机一般为两级电路，前级为PFC(PowerFactorCorrection)级，即功率因数校正环节，实现电网交流电压变为直流电压，且保证输入交流电流与输入交流电压同相位，根据实际设计功率需求的不同，可采用多级Boost电路并联进行扩容；后级为DC/DC级，实现PFC级输出直流电压变为所需充电电压，实现恒流/恒压充电功能，并保证交流高压侧与直流高压侧的电气绝缘，同样地，根据实际设计功率需求的不同，可采用多级DC/DC电路并联进行扩容。另外，比较常见的DC/DC级电路拓扑有移相全桥和LLC两种。

BOOSTPFC

VIENNAPFC

LLC

PSFB

双向充电机在先天上就可以实现比单向设计更高的效率。单向DC/DC模块采用ViennaPFC二极管，而单向LLC谐振转换器可通过二极管桥完成输出整流。图2展示的是单相双向OBC的典型框架—全桥整流器被低损耗SiCMOSFET所取代，从而消除整流二极管正向压降造成的损耗。这反过来可以降低功耗，从而简化热管理要求。

采用Si超结技术的Si基双向OBC与Si基IGBT是SiC双向OBC的主要竞争技术。但是，本段内容将说明SiC如何在所有相关方面(成本、尺寸、重量、功率密度、效率)超越这些技术。让我们从图3开始，这是Si基和SiC基22kW双向OBC的参考示意图，比较了功率器件和栅极驱动的数量。

下表列出了(第一个)AC/DC图腾柱PFC级和(第二个)DC/DC双向CLLC谐振级的各自规格。从图表中可以明显看出，从Si设计转到SiC设计，功率器件和栅极驱动的数量都减少30%以上，开关频率提高一倍以上。这降低了功率转换系统的组件尺寸、重量和成本，同时提高运行效率。

下图进一步细分成本节约，将其分为Si和SiC系统的成本。Si系统比SiC系统高出近20%—这主要是由于DC/DC模块中有相对大量的栅极驱动和磁性元件。尽管相比单个Si基二极管和功率晶体管，分立式SiC基功率器件的成本更高。但在系统中采用时，SiC器件的性能可减少所需元件的数量，从而降低电路元件成本以满足支持各种功率器件功能的要求。

下表对比了6.6kW和22kW双向OBC的Si和SiC方案的成本、功率密度、运行节约和CO2减排。OBC的功率越高，所带来的节约也就越多。6.6kW和22kW双向SiC基OBC的物料清单BOM成本更低，最终可为OEM厂商带来系统成本的降低。再加上运行节约以及由SiC所推动的CO2减排，转嫁到消费者身上的成本也将减少，进而缩小了与内燃机解决方案的价格差距，并为CO2减排做出贡献。

支持使用OBC的电动汽车架构(BEV、PHEV和FCEV)在2021年约占电动汽车总销量的46%，到2026年则将占电动汽车总销量的57%。OBC5年的复合年增长率(CAGR)预计为25.6%，2026年的数量估计为2140万台(根据StrategyAnalytics2020年的数据)

RayZhang张阳明

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