瑞萨丨车载充电器（OBC）和直流/直流转换器拓扑结构如何塑造下一代电动汽车电源电子设备

　　随着消费者对于更快的充电速度、更长的续航里程以及性价比更高的电动汽车的需求不断增长，车载充电器(OBC)在电池寿命中的作用比以往任何时候都更加关键。

　　传统电动汽车采用两级OBC架构，因为它可以将电网侧的电能质量控制和电池侧的隔离和调节进行彻底分离。前级功率因数校正(PFC)整流器可调节交流输入并产生高压直流电，而后级隔离式直流/直流转换器则提供电气隔离并精确调节电压，从而实现安全的电池充电。然而，随着800V高压平台成为主流以及功率级别上升到11kW甚至更高，这种两级设计的局限性(包括尺寸庞大、效率低下和成本高昂)已日益凸显。

　　两级OBC：成熟却受限的设计

　　两级转换器概念示意图

　　两级OBC串联功率转换过程

　　两级OBC是行业主流方案，由两个依次串联的功率转换级组成：

　　前级PFC：将电网交流电转换为稳定的直流母线电压，同时实现单位功率因数(PF>0.99)和较低的THD(<5%)，从而满足国际电网标准。交错图腾柱PFC(采用SiC/GaN器件)之类的拓扑结构在其中占主导地位，它们具有优秀的效率但却需要专用的升压电感器和直流链路电容器。

　　隔离式直流/直流：将直流母线电压转换为牵引电池所需的电压(~500V至900V，用于800V系统)，同时提供电气隔离。主流拓扑结构包括LLC谐振转换器(用于提高效率)和双有源桥(DAB)(用于实现双向车联网(V2X)功能)。

　　虽然这种架构十分成熟，但却存在天然局限性：

　　元器件冗杂：两级意味着重复的功率器件、磁性元件和控制电路，徒增物料成本、尺寸和重量。

　　级联效率损耗：即使每级可达到97%的效率，但整体系统效率仍会降至94.1%，这是大功率电动汽车的一大关键缺陷。

　　可靠性瓶颈：庞大的直流链路电解电容器是限制两级设计寿命的元件，导致整体系统寿命缩短(通常为5至8年)。

　　功率密度限制：由于需要大型电感器、电容器和双热管理系统，系统功率密度受到限制，导致其难以满足现代电动汽车对紧凑尺寸的要求。

　　引入单级OBC直流/直流架构

　　通过将PFC和隔离式直流/直流转换技术整合进单个功率转换级中，单级OBC直流/直流转换器成功解决了这些问题。因此系统无需再使用中间直流母线及其相关元件。

　　单级OBC DC/DC转换器示意图

　　基于矩阵转换器的设计利用双向GaN开关，可大幅减少直流链路储能需求，从而实现超高功率密度，但需要先进的控制算法。

　　应用单级设计的关键前提条件是宽带隙(WBG)半导体(SiC/GaN)。这些器件支持更高的开关频率(对于GaN，可达900kHz)，能够减少开关损耗，并构建紧凑的磁性元件，这对于降低单级拓扑结构较高的复杂度来说至关重要。

　　单级OBC直流/直流转换器的优势

　　单级OBC直流/直流转换器在效率、尺寸、成本和功能方面具有颠覆性的优势，能够满足下一代电动汽车的迫切需求。

　　出色的功率密度：

　　适用于电动汽车封装的紧凑设计

　　此方案的一大直接优势是显著减小尺寸和重量。通过省去直流链路电容器、升压电感器和冗余元件，与两级设计相比，单级设计可将OBC的整体体积缩小多达50%。

　　更高的系统效率

　　单级转换消除了中间直流母线损耗，可使整体系统效率的提升幅度达到2%。提升效率的关键因素包括：

　　单功率转换：消除了两级的级联损耗。

　　宽ZVS范围：WBG器件可实现零电压开关，并具有较宽的ZVS工作范围，充分减少开关损耗。

　　减少导通损耗：更少的半导体和更低的均方根电流可减少导通损耗。

　　更低的物料成本

　　虽然WBG半导体增加了前期成本，但无源元件(电感器、电容器)和功率器件数量的减少可在很大程度上抵消此劣势。

　　其他成本优势包括：

　　简化的热管理：单个热回路可降低冷却系统复杂性和成本。

　　更少的PCB层数和组装步骤：简化制造流程并缩短生产时间。

　　提升可靠性：延长系统寿命

　　直流链路电解电容器是两级OBC可靠性的主要瓶颈，通常仅可持续使用5到8年。单级设计不再使用这些大型电解电容器，而是采用长寿命的薄膜电容器;在矩阵转换器拓扑结构中，甚至可以完全省去直流链路电容器。

　　这有助于提高系统可靠性，减少维护成本和保修索赔次数，并提高其对高温工作环境的适应能力(可达125°C)。

　　当前挑战和未来前景

　　虽然单级OBC直流/直流转换器具有颠覆性的优势，但它们同样面临着挑战。主要的阻碍是控制更加复杂。包括：

　　EMI设计复杂性：更高的开关频率和单级转换需要更加复杂的EMI滤波技术才能满足汽车EMC标准。

　　控制算法调优：针对较宽的输入/输出电压范围需求校准单级控制器，需要耗费大量工程资源。

　　然而，随着技术的快速进步，这些挑战正逐步得到解决。智能算法可实时优化调制策略，从而简化调优并改善性能，而变压器和电感器的协同设计则可减小尺寸和降低EMI，以此进一步提升功率密度。此外，随着SiC/GaN生产规模不断扩大，基于WBG的单级设计的成本溢价在不断缩小。

　　单级OBC直流/直流转换器代表着电动汽车充电技术的下一个前沿。通过将PFC和隔离式直流/直流转换器整合到单级中，它解决了传统两级设计在尺寸、低效和成本方面的核心局限性，同时还可解锁双向V2X功能等新特性。