摘要
随着新能源电动汽车行业的发展，系统集成化趋势愈发显著，车载充电机与DC/DC变换器的集成式开发已成为重要技术发展方向。文章围绕这一趋势展开研究，详细阐述多种车载充电机与DC/DC变换器集成式产品的硬件架构，并深入分析该领域在发展过程中面临的挑战与机遇，为行业发展提供有益参考。
1、车载充电机的背景
车载充电机作为新能源汽车不可或缺的核心部件，集充电机与直流变换器功能于一体。一方面，它将电网输入的交流电转换为适配车辆电池包的电压，实现对电池的充电；另一方面，在车辆高压上电成功后，充当低压电源，把动力电池的高压直流电转换为低压直流电，为低压器件供电并为车载蓄电池充电。
典型车载充电机多采用两级式拓扑结构，前级为功率因数校正（PowerFactorCorrection，PFC）变换器，后级则是具备隔离功能且能调节输出功率的DC/DC变换器。前级PFC变换器的主要作用，是对输入电流进行功率因数校正，使其跟踪输入电压，并输出稳定的母线电压；后级隔离型DC/DC变换器则负责实现安全隔离，以及提供宽范围的电压或电流输出。典型车载充电机的架构如图1所示。
依据权威机构及行业研究报告，对车载充电机（On-BoardCharger，OBC）市场的增长态势，可从市场规模和驱动因素两方面进行深入剖析。
中国及全球市场增长态势：2025年预计中国OBC市场规模将达660亿元（含前装及后装市场）；2026年中汽协预测中国OBC市场规模将突破300亿元（前装市场为主）；2030年全球OBC市场规模预计以复合增长率超15%持续扩张，重点受益于新能源汽车渗透率提升（纯电及混动车型均需配置OBC）。
驱动因素分析：近年来，新能源汽车逐年销量上涨。2025年全球销量预计达2537万辆（2022年约1082万辆）。单车配置需求。每辆新能源车需配备1台OBC，单价约2000元，叠加后装替换市场占比30%。
基于以上因素，OBC市场前景广阔，后续将迎来高速发展阶段。
2、常用的技术设计方向
2.1、6.6kWOBC+DC/DC二合一将成为常用的拓扑
电源二合一总成方案由6.6kWOBC&2kWDC/DC系统集成模块组成，如图2所示。
①PFC电路：由2个SiCMOS、2个CoolMOS和1个储能电感组成，工作频率为50~70kHz；
②双向LLC电路：由8个CoolMOS、1个谐振电感、主变压器和谐振电容组成，工作谐振频率为100kHz；
③LV电路：由4个CoolMOS和6个整流功率MOS组成，工作频率为80kHz。
该方案具备以下优点。PFC部分并未采用全SiC拓扑，仅使用2支SiC，其余CoolMOS管选用英飞凌品牌或国产品牌，实现降本设计。DC/DC部分采用全桥PWM硬开关拓扑，相较于磁集成方案，提升了DC/DC整体效率，加权效率增加约1%，并确保DC/DC在500W以下运行于高效区。PFC部分使用TI芯片（280025）进行数字控制。双向LLC及DC/DC部分共用1款TI芯片（280049）进行数字控制。LV侧使用NXP品牌MCU（S32K148HAMLQ）实现整车通信交互。3款芯片之间通过UART进行数据交互，并借助数字隔离器保证电气隔离。LV侧滤波电感增加副边绕组和二极管，使LV侧能够反向工作，对高压HV进行充电，拓展了整车母线电容预充功能。
2.2、11kWOBC+DC/DC二合一拓扑结构
如图3所示，该方案采用全SiC设计，支持能量双向流动，兼容单相和三相交流输入。单相输入时，最大输出功率6.6kW；三相输入时，最大输出功率11kW。PFC和LLC各由一片DSP控制，PFC母线电压可根据输出电压实时调节，优化LLC工作状态，提升系统效率。反向工作时，可输出单相220V交流，反向最大输出功率6.6kW。该方案特点阐述如下。
1、全SiC设计有效降低开关损耗，系统效率高，峰值效率达96%。
2、属于双向车载充电机，既能正向充电，也能逆变输出单相交流。
3、兼容三相、单相输入电压，三相输入时，功率为11kW，单相输入时功率为6.6kW。
4、采用数字化控制，消除图腾柱PFC过零点畸变。
5、两片DSP分别控制PFC和LLC，根据输出电压，通信实时调节PFC电压，优化系统效率。
6、支持CAN通信，DSP集成比较器实现各种保护功能，包括输入过/欠压、过流保护、母线过压、输出过/欠压、过流、短路保护等。
2.3、其他方案
1、高效拓扑应用：采用高效率拓扑，如双有源桥式DAB结构或LLC谐振变换器，结合功率因数校正（PFC）模块，可将系统效率提升至95%以上。
2、主电路拓扑优化：PFC级优先选择三相图腾柱或维也纳整流器，以减少二极管损耗；DC/DC级则以全桥LLC谐振拓扑为主流，支持高频化（300kHz以上）和软开关，降低磁元件体积。
3、核心参数设计
3.1、输入/输出参数设计
1、输入电压范围。兼容全球电网标准，如单相110~240VAC或三相380VAC，交流输入范围设定为85~265VAC。对于800V高压电池架构，输入需支持更高电压等级的整流需求。
2、输出电压与电流。输出电压需匹配动力电池电压范围，如200~800VDC，电流调节需支持动态控制，例如320V输出时，电流可达20~30A。双向OBC还需支持反向放电功能，输出电压需与电网兼容。
3、功率等级。主流功率覆盖3.3kW、6.6kW、11kW，高端车型可扩展至22kW及以上。设计时需平衡功率密度与散热能力，例如11kWOBC体积需控制在5~8L以内。
3.2、效率与功率因数校正（PFC）
整机效率：目标效率≥95%，采用全数字LLC谐振拓扑和SiC器件可减少开关损耗，效率提升2%~3%。部分方案通过零电压切换（ZeroVoltageSwitch，ZVS）技术将开关频率提升至800kHz以上。
功率因数（PF）与谐波抑制：交流输入电压PF需≥0.99，总谐波失真（THD）<5%。常用的方案现采用图腾柱无桥PFC或维也纳整流拓扑，然后结合TMS320F28035芯片实现数字控制，可以优化轻载条件下的谐波表现。
3.3、控制技术
控制技术采用数字控制算法，软件控制运用电压/电流双闭环控制，并结合PID算法实现动态调节。ARM+FPGA架构可提升控制精度，例如实现±0.5%的输出电压误差。
3.4、元器件耐压与耐温
高压侧器件，如SiCMOSFET，需支持1200V耐压，工作温度范围为-40~125℃。采用平面变压器和低损耗铁氧体磁芯，如PQI材料，可减少热损耗。
4、现有技术发展现状
1、高功率密度与效率提升。
当前，主流OBC功率已从早期的3.3~6.6kW提升至11kW以上，部分高端车型采用22kW三相交流充电，其OBC充电效率可达95%以上。采用全数字LLC软开关谐振技术、平面变压器等设计，有效缩小了体积，降低了能量损耗。
2、集成化设计趋势。行业普遍采用多合一集成
方案，如OBC+DC/DC+PDU，通过优化电路拓扑和磁集成技术，减少线束和接插件数量，降低成本，提升整车布局灵活性。例如，二合一集成产品M22A已在全球市场得到应用。
3、采用第三代半导体材料。
目前，碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等新一代半导体材料逐渐替代传统硅基器件。这些材料支持更高频率（300kHz以上）和耐高温特性，可降低热损耗，提升功率密度。英飞凌、安森美等厂商已推出基于SiC的双向OBC方案。
5、技术挑战与瓶颈
1、高频损耗与磁材料优化。
高频化（500kHz以上）会导致电感器、变压器磁芯损耗增加，需开发低损耗铁氧体材料（如PQI、EQ），以及扁平立绕线圈技术，以便降低涡流效应。
2、散热与防护等级要求。
液冷方案需解决冷却液腐蚀和密封问题，同时要兼顾高功率密度下的热管理，对元器件耐高温性能提出了更高要求。
3、成本控制与供应链压力。
集成化和SiC/GaN器件的应用虽提升了性能，但原材料成本较高，需通过规模化生产和国产替代，如比亚迪半导体，降低成本。
4、标准化与兼容性问题。
全球充电标准（如CHAdeMO、CCS、GB/T）不统一，OBC需支持多协议兼容，同时要适应电池电压从400V向800V升级的过渡期技术需求。
5、测试验证复杂性。
需满足国标GB/T18488等可靠性测试，包括电网波动模拟、谐波抑制、耐久性循环测试等，测试平台开发成本高。
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