探索车载充电机：从基础到趋势，聚焦碳化硅功率器件
引言
随着电动汽车产业的快速发展，车载充电机（On-Board Charger，OBC）作为电动汽车的核心组件之一，其重要性日益凸显。OBC不仅是连接电动汽车与外部电源的桥梁，还直接决定了车辆的充电效率、电池寿命以及整体使用体验。
近年来，碳化硅（SiC）功率器件凭借其卓越的电气性能和出色的热稳定性，逐渐成为车载充电机领域的技术焦点。它不仅提升了充电效率，还为电动汽车的快速充电和高压平台发展提供了强有力的支持。
本文将深入探讨车载充电机的基本原理和技术发展趋势，并聚焦碳化硅功率器件在OBC中的应用，揭示其如何推动电动汽车行业的革新。
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什么是车载充电机？
车载充电机（OBC）是电动汽车中的关键部件，负责将外部输入的交流电（AC）转换为直流电（DC），为动力电池充电。除了电能转换，OBC还具备多种保护机制，能够精准控制充电参数，延长电池寿命，并通过高效转换技术提升充电效率。
此外，OBC还能适应多样化的充电需求，帮助电动汽车更好地融入不同的使用场景。
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传统车载充电机使用什么类型的功率器件？
在传统的车载充电机中，硅基（Si）功率半导体器件扮演了重要角色。具体来说有两种：
- IGBT（绝缘栅双极型晶体管）：广泛应用于11kW及以下功率等级的OBC中，主要用于功率转换的核心部分。
- 硅基MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）：多用于低压、高频电路部分。
然而，传统硅基器件在高频工作时存在效率和功率密度的局限性，限制了车载充电机性能的进一步提升。
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车载充电机的功率发展趋势
随着电动汽车对充电速度和效率的需求不断提升，OBC的功率等级也在逐步升级。以下是OBC功率发展的主要阶段和未来方向：
1. 6kW OBC：基础充电
· 应用场景：早期电动汽车，适合家庭充电。
· 充电时间：8-10小时充满电。
· 特点：成本低，结构简单，适合入门级车型。
2. 11kW OBC：主流选择
· 应用场景：家庭和公共充电桩，适用于中高端电动汽车。
· 充电时间：4-6小时充满电。
· 特点：性能和成本平衡，满足日常充电需求。
3. 22kW OBC：高功率快充
· 应用场景：高性能电动汽车，适用于快充站。
· 充电时间：2-3小时充满电。
· 特点：采用碳化硅器件，效率更高，体积更小，支持快速充电。
4. 30kW及以上OBC：未来超快充电
· 应用场景：800V高压平台，支持超快充电（如10分钟充至80%）。
· 特点：依赖碳化硅器件，实现高效率和高可靠性，目标是将充电时间缩短至与传统燃油车加油相当。
5. 未来趋势：双向充电与智能化
· 双向充电：支持车辆到电网（V2G）能量交互。
· 智能化：与电池管理、热管理深度集成，实现智能充电和能量优化。
▲OBC功率发展趋势
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为什么碳化硅功率器件逐渐成为车载充电机的主流选择？
“穷则变，变则通，通则久。”
随着电动汽车对充电效率和速度的要求不断提高，传统硅基器件的局限性逐渐暴露。碳化硅功率器件凭借其独特的物理特性，成为车载充电机领域的新宠。
1. 碳化硅的物理优势：
· 高耐压能力：碳化硅的临界电场强度高达2.2×10⁶ V/cm，远高于硅材料。
· 耐高温：碳化硅的熔点高达300°C，适合高温环境下的工作。
· 优异的散热性能：碳化硅的热导率为4.9 W/cmK，能够有效散热，减少器件过热风险。
▲碳化硅的物理优势
2. 碳化硅与硅基器件的对比：
· 硅MOSFET的局限性：硅MOSFET在连续导通模式下会产生高功率损耗，限制了其在高功率应用中的使用。而碳化硅MOSFET能够在连续导通模式下高效运行，显著降低损耗。
· IGBT的局限性：IGBT的开关频率较低，导致磁性元件和无源组件的体积和重量增加。碳化硅功率器件的高开关频率则能大幅减少这些组件的尺寸和重量。
▲碳化硅功率器件的优势
正是这些优势，使得碳化硅功率器件在车载充电机领域越来越受到青睐。
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随着电动汽车向800V甚至更高压平台发展，碳化硅基OBC具有怎样的显著优势？
1. 更高的效率：
· 低导通电阻：碳化硅器件在高压平台下具有更低的导通电阻，减少了电能损耗，提升了充电效率。快速开关特性
· 快速开关特性：碳化硅器件的开关速度比硅基器件快得多，能够降低开关过程中的能量损失。
2. 更高的功率密度：
· 高频工作能力：碳化硅器件的高频工作能力使得OBC可以使用更小尺寸的磁性元件，从而减小整体体积，提高功率密度。高耐压能力
· 高耐压能力：碳化硅的高击穿电场强度使其能够承受更高的电压，支持更紧凑的设计。
3. 更好的可靠性和稳定性：
· 出色的热性能：碳化硅的高热导率使其在高温环境下仍能保持稳定性能，减少故障风险。
· 耐高压特性：碳化硅器件能够轻松应对高压环境，确保OBC在高压平台下长期可靠运行。
4. 更好地适应新的充电需求
· 支持大功率快充：碳化硅基OBC能够高效处理高功率充电需求，满足用户对快速充电的期望。
· 双向充电功能优化：碳化硅器件能够高效实现电能的双向流动，支持车辆到电网（V2G）等新型充电模式。
▲双向OBC支持新型车联网的案例
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双向OBC如何适应不同充电场景并保证充电安全？
双向OBC通常采用两级架构：
· 前级：功率因数校正（PFC）模块：用于提高输入功率因数并抑制高次谐波。
· 后级：DC-DC转换器（LLC模块）：用于满足电池充电的电流电压要求，并实现电气隔离。
通过调节输出电压，双向OBC能够适应不同的充电场景，确保充电安全。例如，在电网充电模式下，OBC将交流电转换成直流电为电池充电；在车辆到电网（V2G）模式下，OBC将电池的直流电逆变成交流电反馈到电网。
▲双向OBC前后两级架构
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双向OBC选择碳化硅进行大功率设计的意义？
在800V架构下的双向OBC设计中，碳化硅功率器件展现出显著优势：
- 高效率：碳化硅MOSFET能够显著降低导通和开关损耗，提升整体效率。
- 高功率密度：碳化硅器件的高频工作能力使得OBC可以使用更小尺寸的磁性元件，减小体积和重量。
- 简化热管理：碳化硅的低功耗特性简化了热管理设计，降低了系统复杂性。
▲碳化硅基22 kW双向OBC示意图
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爱仕特有哪些产品适用于大功率双向OBC？
作为碳化硅功率器件及应用方案引领者，爱仕特推出了适用于大功率双向OBC的MT4系列和MT7系列碳化硅MOSFET。这些产品不仅具备卓越的性能，还在双向充电技术上实现了重大突破。
▲爱仕特碳化硅功率转换解决方案
1. MT4系列(TO247-4)碳化硅MOSFET
· 低导通电阻：适用于高压、大电流环境，显著降低功率损耗。
· 高可靠性：在高温、高湿度等复杂环境下仍能保持稳定性能。
▲爱仕特MT4系列碳化硅MOSFET介绍
2. MT7系列(TO263-7)碳化硅MOSFET
· 快速开关：支持高效的双向能量转换，减少开关损耗。
· 优化散热：良好的热导率确保器件在高负荷下稳定运行。
▲爱仕特MT7系列碳化硅MOSFET介绍
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结语
碳化硅功率器件凭借其卓越的性能，正在推动车载充电机技术的革新。随着电动汽车向高压平台和双向充电方向发展，碳化硅基OBC将成为未来电动汽车充电系统的核心。爱仕特作为碳化硅技术的引领者，将继续致力于为行业提供高效、可靠的解决方案，助力电动汽车产业的快速发展。
