OBC（On-Board Charger，车载充电器）、DC/DC（直流/直流转换器）、PDU（(Power Distribution Unit, 高压配电盒）被合称为骑车的“小三电”系统。
随着汽车朝向Zonal区域架构、800V/1000V、SiC大规模应用等趋势发展，汽车OBC也随着发生了诸多变化。本文将会详细剖析OBC你需要了解的一切，并分析OBC最新趋势和厂商提供的最新技术。
PFC+DC/DC=OBC
OBC顾名思义是“车载充电器”，作用是负责将电网的交流电（AC）转换为直流电（DC）为车辆电池充电。
与其相对的还有Off-Board Charge（非车载充电器）的概念，连接非车载充电器会绕过OBC直接连接到电池进行充电。不过相比非车载充电器，OBC有助于确定适当的电流/功率量和要应用的正确充电标准，同时OBC的电池寿命更长。
目前充电基础设施中，充电桩分为三个等级：
- 1级的最大功率为 3.6 kW
- 2级的功率为3.6 kW到大约22 kW ，与OBC的最大容量相当
- 3级提供直流电，无需使用OBC，功率为50kW~350kW
尽管速度较快的3级直流充电站已投入使用，但其在全球范围内分布有限，因此OBC仍不可或缺。此外，许多企业正尽可能提高现有2级充电基础设施的性能并促进更高电压电池技术的采用，市场对更高能效OBC的需求预计仍将持续增长。
OBC通常由PFC（功率因素矫正电路）和DC/DC两级构成：
- PFC级：为并网的AC/DC变换器，将输入的单相/三相交流电变换为直流母线电压。中国单相交流电桩更普遍，欧洲等国外三相交流电更主流。单相交流输入PFC输出直流母线电压通常为400~600V，三相输入PFC输出直流母线电压通常为700~1000V；
- DC/DC变换器级：由于单级PFC输出直流电流有比较大低频波动，所以典型OBC会在PFC级后加入DC/DC，输出给车载高压动力电池供电。对于常见的400V或800V电池系统，OBC输出电压通常为230~450V与450~900V。
OBC任何故障都可能导致灾难性后果，因此OBC安全、高效、可靠运行至关重要。此外，于OBC直接影响充电时间、能源效率和整体用户体验，所以业界一直追求高效、高功率密度的OBC，而这带来了热管理、小尺寸、重量和可靠性的挑战。
由于PFC在实现高功率因素的同时，功率损耗呈脉动形式，带来较大的结温Tvj波动（ΔTvj），而Tvj与功率循环（PC）寿命有关，因此Tvj是车载OBC最为关心的参数之一。
车载OBC的拓扑结构
由于OBC存在非隔离AC/DC的PFC和隔离DC/DC两部分，所以拓扑结构也是两部分的组合，比如双向图腾柱PFC+CLLC。
PFC级
Classical boost PFC（经典升压PFC）是最简单的升压转换器拓扑，其包含一个半桥配置，由一个开关和一个二极管、一个电感器和一个交流输入侧的二极管桥式整流器实现。直流输出侧通常使用缓冲帽稳定输出电压，实现高功率因数最常见模式是电感器连续导通模式 （CCM）。虽然这种拓扑很简单，但宽禁带（WBG）MOSFET无法充分发挥出优势。
Dual-boost PFC（双升压 PFC）是一种“无桥”PFC 拓扑。顾名思义，拓扑不在交流输入侧使用二极管电桥，而是利用半导体开关以提高效率。这种拓扑工作原理与经典升压PFC 非常相似，半导体元件选择也类似，区别在于，每个交流半周期由一个专用的半桥处理，而不是对交流进行整流。这增加了有源开关的数量，由于输入端没有二极管整流器，因此也提高了转换效率。
Totem-pole PFC（图腾柱PFC）是双向车载充电器常见拓扑结构。它用有源电源开关替换所有二极管，以实现双向功率流能力，同时提高效率。尽管如此，这种修改也增加了复杂性，因为必须在电路内控制更多的功率半导体。
图腾柱PFC由一个快速切换支路（S1和S2）和一个慢速切换支路（S3和S4）组成。S1和S2要求半导体能够承受两个有源开关之间高频负载电流的硬换向。S3和S4中开关正在实现相位整流功能，因此，在交流输入过零（零电压开关）期间们会随着交流频率打开和关闭。
如果利用软开关技术，可以提高转换效率，软开关还可以在全桥拓扑中使用。这PFC级通常称为“三角电流模式”（iTCM）图腾柱PFC。这种方法的缺点是需要可变频率来控制级，与CCM PFC相比，功率因数会降低，这可以通过多个软开关PFC级的交错来补偿。
DC/DC级
典型车载OBC由一个隔离DC/DC模块组成，以满足隔离和安全方面的要求。此外，该级还具有调节其输出端的实际充电电压的作用，具体取决于高压牵引电池的状态。最先进的OBC对开关频率较高，所以紧凑型DC/DC通常采用基于Si或SiC的MOSFET，而不使用 IGBT。
Phase-shifted full-bridge （PSFB，移相全桥）是常用DC/DC拓扑之一，由DC/DC初级侧的全桥、谐振电感器、隔离变压器和次级侧的整流组成，拥有较高效率。PSFB可在很宽负载范围内以软开关方式运行，意味着存储在MOSFET寄生电容中能量可回收，从而降低功率损耗，减少散热，并提高转换效率。初级侧上附加电感器可确保MOSFET与控制器协同进行软开关。不过，由于PSFB 的固有性质，无法在整个输出范围内为所有MOSFET实现全ZVS（零电压开关）。通常，不同MOSFET硬开关发生在轻负载条件下（当谐振能量不足以维持ZVS时。
PSFB 相比LLC，控制工作相对较低，通过控制两个半桥支路之间相移实现功率流的调节，而无需修改频率或占空比。此外，PSFB 拓扑能够实现比 LLC（电感器-电感器-电容器）转换器更宽的转换比。
次级侧的任务是对来自初级侧的传输能量进行整流，一种方法是使用全桥整流，另一种是使用中心抽头变压器，这两种变体，通常使用二极管或有源MOSFET。如果DC/DC次级侧使用有源开关，并且应用了适当的控制策略，则PSFB拓扑也可用于双向车载充电器。
LLC拓扑是达到最高转换效率的理想选择，它的效率比PSFB更高，且可在整个负载范围内实现ZVS。OBC多数LLC都是全桥LLC，低功耗应用中则选多选用半桥LLC。初级侧全桥配置有助于减少通过电源开关的电流，因为与半桥LLC相比变压器初级侧绕组的电压将高出两倍。由于电压加倍，对于给定的变压器尺寸，可以传输双倍的功率。
LLC的缺点是功率流通过可变频率而不是脉宽调制控制信号的可变占空比来控制的，所以EMI设计可能更具挑战性；LLC并联级同步更加复杂，很难规定均流；LLC的转换率有限。
CLLC拓扑是应对OBC双向功率流的一种拓扑，其对LLC的谐振槽进行了小幅修改。
三相OBC拓扑
原则上，上述所有拓扑结构都可用于单相和三相交流输入，只要在选择合适的半导体时考虑潜在的更高系统电压即可。这种方法被称作Stacking of single-stage modules（单级模块堆叠），通过将交流相位参考到输入侧的中性线来实现。
Three-phase full-bridge（三相全桥）PFC是一种仅在三相交流输入运行的拓扑，也被称为B6或“三腿桥”如果需要额外单相，可以轻松扩展拓扑以合并中性线。三相全桥PFC工作模式通常为连续电流模式，因此SiC MOSFET等半导体需要承受连续的硬换向。与堆叠拓扑相比，三相全桥PFC直流母线电压必须更高，这是由于交流相之间的输入电压较高造成的。典型的直流母线电压约为 650 V，这提高了半导体的电压要求。
Vienna rectifier（维也纳整流器）是三相交流系统专用的拓扑，主要用作电动汽车充电站的PFC，不过也可以用于OBC。该拓扑采用背对背配置的650 V半导体开关和具有大于650 V关断能力的SiC二极管。此外，其直流侧设有一个额外端子，可将直流链路电压分成两半。
OBC的发展趋势
目前汽车OBC有很明显的几个发展趋势。
第一，双向OBC和V2G、V2L逐渐成为标配。
OBC分为单向OBC和双向OBC两种，单向只能给动力电池充电，双向则进一步集成逆变功能，可以把高压动力电池直流电逆变成交流电，供外部设备使用。比如，特斯拉、比亚迪等车厂都在将双向充电技术集成在汽车内。
双向OBC使得新能源汽车具备了车辆对外供电（V2L，Vehicle to Load）和车辆到电网（V2G，Vehicle-to-grid）功能。V2L可以通过专用的V2L交流插线板，供应220V AC 50Hz/110V AC 60Hz的外部设备，适用于如户外露营电器、车载冰箱、应急供电等场景；V2G能够将电动汽车中储存的电能反馈到国家电网中，以助力满足用电高峰时期的能源供应需求。
第二，随着800V架构发展，OBC的功率越做越大，22kW OBC成为趋势。
一直以来，3.3kW、6.6kW是OBC的主流功率。近年来，为了缩短充电时间，电动汽车电池的电压不断提高。为了应对这些趋势，业界正在实现800V和22kW的高电压和高输出功率的OBC。此外，未来行业还会继续向30kW及以上OBC的超级快充发展。
不过，功率转换损耗会随着输出增加而增加，并且更高的电压需要更大的绝缘距离，导致OBC外壳往往变得更大。因此，OBC是电动汽车强烈希望小型化的系统组件之一。
第三，随着800V架构发展，OBC的拓扑结构也在发生变化。
随着800V发展，OBC的拓扑也在发生改变。400V的OBC主流功率为6.6kW，一般采用PFC+LLC+PSFB拓扑，而800V不同厂商拥有自己的方案。
TI的基于GaN的6.6kW双向车载充电器参考设计PMP22650采用了两相图腾柱PFC+CLLLC+同步整流。
ST推荐了多种解决方案：一种是级联的DAHB拓扑，通过配置可选择400V或800V，该方案采用650V的GaN；另一种是基于1200V SiC的LLC/ZVS，若需要实现V2L或V2G的双向方案，则推荐DAB。
此外，ST还推出了ST SR5E1 22KW OBC & 3KW DC DC Combo System二合一车载充电器解决方案，方案主要由Stellar-E1，电源管理/系统基础芯片L9396、L978S、A6983L，单通道栅极隔离驱动器STGAP2SICS，以及第三代功率半导体1200V SiC功率器件SCT015W120G3-4AG、SCT025W120G3-4AG、SCT070W120G3-4AG组成。
安森美的EliteSiC 1200V APM32功率模块的高功率 (11 kW~22 kW) 双向 OBC方案采用“三相PFC+双向 CLLC”。其中，APM32功率模块系列集成安森美先进的1200 V SiC器件，针对800 V电池架构进行了优化，更适用于高电压和功率级OBC。相较于分立方案，APM32模块尺寸更小、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，从而有助于创建高性能双向OBC。
GaN System（已被英飞凌收购）推荐的方案采用3级的FC PFC+3级的FC DAB（FC, Flying Capacitor）实现11kW的功率，PFC和DAB的峰值效率分别是99%和98.5%。
第四，集中化架构发展之下，OBC集成进动力总成内，形成多合一电驱。
为了节省空间，将OBC整合到其他系统成为趋势。比如说，车载充电机OBC和高压直流变换器DC/DC组合是一种常见的动力总成组合形式，两者可以共享机械外壳和冷却系统，或进一步共享一些组件，提高功率密度，优化成本。
这种集成的发展仍在继续，随着集成级别的提高，系统的复杂性也将增加。目前，OBC也逐渐被放在“多合一电驱动系统”内。2015 ~2018年“3合1”还是整合电机、减速器、控制器，而到了2019~ 2021年，OBC、DCDC、PDU小三电被整合进来，成为“6或8合1系统”。目前，业界基本达到了“12合1”的水平，而OBC一般被放在动力总成部分。
第五，两级拓扑效率有瓶颈，单级拓扑正在成为新趋势。
OBC普遍为PFC+DC/DC两级结构，这样的缺点也很明显，因为需要两阶段转换，所以效率也会受到限制，同时电路设计上也很复杂，元器件数量多会导致体积、重量、物料成本难以压缩。所以，企业开始尝试将PFC和DC/DC转化为单级拓扑结构。
比如，在今年1月阳光电动力推出一款单机拓扑架构+GaN的OBC，一次隔离变换实现交流与直流双向功率控制；再比如，今年4月，联合电子推出CharCON HyperGaN（超级氮化镓车载充电机），基于单级式拓扑与GaN技术，实现6.8kW/L最高功率密度，96%满载效率；又比如特斯拉Cybertruck的OBC采用四相CLLC/DAB单级架构，可直接完成交流电到48V直流电的转换。
第六，宽禁带半导体（WBG）的SiC和GaN在OBC中使用量增加，是大势所趋。
硅基功率半导体OBC，在效率和功率密度上已经达到瓶颈，SiC和GaN这种宽禁带半导体，则能够显著提升汽车OBC的充电效率和功率密度。
首先，在SiC方面，因其独特的高临界电场、高电子漂移速度、高温和高导热性组合，而成为大功率OBC的首选器件。目前英飞凌、安森美、ST、罗姆等厂商均可提供相关产品和方案。
值得注意的是，近期英飞凌在OBC领域，还创新开发了顶部散热（TSC: top-side cooling ）DDPAK和QDPAK封装的SiC器件，通过这种方式热阻可以降低约35%，同时可以将器件与PCB进行热解耦。除了提高散热，增加载流能力外，TSC也有利于优化走线设计，从而提升可靠性。
其次，在GaN方面，目前许多厂商开始将其导入OBC领域。汇川联合动力推出了新一代6.6 kW GaN车载二合一电源产品，将OBC与车载直流变换器集成，充电效率达到96%，功率密度达到4.8 kW/L；欣锐科技发布车载电源9代平台“锐虎”，首次实现基于双向氮化镓器件的单级矩阵变换器拓扑（双向）量产技术；马自达与罗姆今年3月联合开发采用氮化镓功率半导体的OBC、DC/DC一级车辆逆变器等部件研发创新型解决方案；日本名古屋大学和松下汽车系统公司正在开发一种用于电动汽车(EV) 的紧凑型车载充电器 (OBC)；英诺赛科、英飞凌、纳微半导体等正围绕汽车电子推出相关产品。
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