探索車載充電機：從基礎(chǔ)到趨勢，聚焦碳化硅功率器件

發(fā)布時間：2025-3-12 09:08 發(fā)布者：Eways-SiC

關(guān)鍵詞： SiC MOS , 電機控制 , 車載充電機 , 雙脈沖 , 碳化硅模塊

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引言隨著電動汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，車載充電機（On-Board Charger，OBC）作為電動汽車的核心組件之一，其重要性日益凸顯。OBC不僅是連接電動汽車與外部電源的橋梁，還直接決定了車輛的充電效率、電池壽命以及整體使用體驗。近年來，碳化硅（SiC）功率器件憑借其卓越的電氣性能和出色的熱穩(wěn)定性，逐漸成為車載充電機領(lǐng)域的技術(shù)焦點。它不僅提升了充電效率，還為電動汽車的快速充電和高壓平臺發(fā)展提供了強有力的支持。本文將深入探討車載充電機的基本原理和技術(shù)發(fā)展趨勢，并聚焦碳化硅功率器件在OBC中的應(yīng)用，揭示其如何推動電動汽車行業(yè)的革新。01什么是車載充電機？車載充電機（OBC）是電動汽車中的關(guān)鍵部件，負責(zé)將外部輸入的交流電（AC）轉(zhuǎn)換為直流電（DC），為動力電池充電。除了電能轉(zhuǎn)換，OBC還具備多種保護機制，能夠精準控制充電參數(shù)，延長電池壽命，并通過高效轉(zhuǎn)換技術(shù)提升充電效率。此外，OBC還能適應(yīng)多樣化的充電需求，幫助電動汽車更好地融入不同的使用場景。02傳統(tǒng)車載充電機使用什么類型的功率器件？在傳統(tǒng)的車載充電機中，硅基（Si）功率半導(dǎo)體器件扮演了重要角色。具體來說有兩種：IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）：廣泛應(yīng)用于11kW及以下功率等級的OBC中，主要用于功率轉(zhuǎn)換的核心部分。硅基MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）：多用于低壓、高頻電路部分。然而，傳統(tǒng)硅基器件在高頻工作時存在效率和功率密度的局限性，限制了車載充電機性能的進一步提升。3車載充電機的功率發(fā)展趨勢隨著電動汽車對充電速度和效率的需求不斷提升，OBC的功率等級也在逐步升級。以下是OBC功率發(fā)展的主要階段和未來方向：1. 6kW OBC：基礎(chǔ)充電· 應(yīng)用場景：早期電動汽車，適合家庭充電�！� 充電時間：8-10小時充滿電�！� 特點：成本低，結(jié)構(gòu)簡單，適合入門級車型。2. 11kW OBC：主流選擇· 應(yīng)用場景：家庭和公共充電樁，適用于中高端電動汽車。· 充電時間：4-6小時充滿電。· 特點：性能和成本平衡，滿足日常充電需求。3. 22kW OBC：高功率快充· 應(yīng)用場景：高性能電動汽車，適用于快充站�！� 充電時間：2-3小時充滿電�！� 特點：采用碳化硅器件，效率更高，體積更小，支持快速充電。4. 30kW及以上OBC：未來超快充電· 應(yīng)用場景：800V高壓平臺，支持超快充電（如10分鐘充至80%）�！� 特點：依賴碳化硅器件，實現(xiàn)高效率和高可靠性，目標(biāo)是將充電時間縮短至與傳統(tǒng)燃油車加油相當(dāng)。5. 未來趨勢：雙向充電與智能化· 雙向充電：支持車輛到電網(wǎng)（V2G）能量交互。· 智能化：與電池管理、熱管理深度集成，實現(xiàn)智能充電和能量優(yōu)化。

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為什么碳化硅功率器件逐漸成為車載充電機的主流選擇？

“窮則變，變則通，通則久�！�

隨著電動汽車對充電效率和速度的要求不斷提高，傳統(tǒng)硅基器件的局限性逐漸暴露。碳化硅功率器件憑借其獨特的物理特性，成為車載充電機領(lǐng)域的新寵。

1. 碳化硅的物理優(yōu)勢：

· 高耐壓能力：碳化硅的臨界電場強度高達2.2×10⁶ V/cm，遠高于硅材料。

· 耐高溫：碳化硅的熔點高達300°C，適合高溫環(huán)境下的工作。

· 優(yōu)異的散熱性能：碳化硅的熱導(dǎo)率為4.9 W/cmK，能夠有效散熱，減少器件過熱風(fēng)險。

2. 碳化硅與硅基器件的對比：· 硅MOSFET的局限性：硅MOSFET在連續(xù)導(dǎo)通模式下會產(chǎn)生高功率損耗，限制了其在高功率應(yīng)用中的使用。而碳化硅MOSFET能夠在連續(xù)導(dǎo)通模式下高效運行，顯著降低損耗。· IGBT的局限性：IGBT的開關(guān)頻率較低，導(dǎo)致磁性元件和無源組件的體積和重量增加。碳化硅功率器件的高開關(guān)頻率則能大幅減少這些組件的尺寸和重量。

正是這些優(yōu)勢，使得碳化硅功率器件在車載充電機領(lǐng)域越來越受到青睞。05隨著電動汽車向800V甚至更高壓平臺發(fā)展，碳化硅基OBC具有怎樣的顯著優(yōu)勢？1. 更高的效率：· 低導(dǎo)通電阻：碳化硅器件在高壓平臺下具有更低的導(dǎo)通電阻，減少了電能損耗，提升了充電效率。快速開關(guān)特性· 快速開關(guān)特性：碳化硅器件的開關(guān)速度比硅基器件快得多，能夠降低開關(guān)過程中的能量損失。2. 更高的功率密度：· 高頻工作能力：碳化硅器件的高頻工作能力使得OBC可以使用更小尺寸的磁性元件，從而減小整體體積，提高功率密度。高耐壓能力· 高耐壓能力：碳化硅的高擊穿電場強度使其能夠承受更高的電壓，支持更緊湊的設(shè)計。3. 更好的可靠性和穩(wěn)定性：· 出色的熱性能：碳化硅的高熱導(dǎo)率使其在高溫環(huán)境下仍能保持穩(wěn)定性能，減少故障風(fēng)險�！� 耐高壓特性：碳化硅器件能夠輕松應(yīng)對高壓環(huán)境，確保OBC在高壓平臺下長期可靠運行。4. 更好地適應(yīng)新的充電需求· 支持大功率快充：碳化硅基OBC能夠高效處理高功率充電需求，滿足用戶對快速充電的期望�！� 雙向充電功能優(yōu)化：碳化硅器件能夠高效實現(xiàn)電能的雙向流動，支持車輛到電網(wǎng)（V2G）等新型充電模式。

06雙向OBC如何適應(yīng)不同充電場景并保證充電安全？雙向OBC通常采用兩級架構(gòu)：· 前級：功率因數(shù)校正（PFC）模塊：用于提高輸入功率因數(shù)并抑制高次諧波�！� 后級：DC-DC轉(zhuǎn)換器（LLC模塊）：用于滿足電池充電的電流電壓要求，并實現(xiàn)電氣隔離。通過調(diào)節(jié)輸出電壓，雙向OBC能夠適應(yīng)不同的充電場景，確保充電安全。例如，在電網(wǎng)充電模式下，OBC將交流電轉(zhuǎn)換成直流電為電池充電；在車輛到電網(wǎng)（V2G）模式下，OBC將電池的直流電逆變成交流電反饋到電網(wǎng)。
07雙向OBC選擇碳化硅進行大功率設(shè)計的意義？在800V架構(gòu)下的雙向OBC設(shè)計中，碳化硅功率器件展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢：高效率：碳化硅MOSFET能夠顯著降低導(dǎo)通和開關(guān)損耗，提升整體效率。高功率密度：碳化硅器件的高頻工作能力使得OBC可以使用更小尺寸的磁性元件，減小體積和重量。簡化熱管理：碳化硅的低功耗特性簡化了熱管理設(shè)計，降低了系統(tǒng)復(fù)雜性。

08愛仕特有哪些產(chǎn)品適用于大功率雙向OBC？作為碳化硅功率器件及應(yīng)用方案引領(lǐng)者，愛仕特推出了適用于大功率雙向OBC的MT4系列和MT7系列碳化硅MOSFET。這些產(chǎn)品不僅具備卓越的性能，還在雙向充電技術(shù)上實現(xiàn)了重大突破。
1. MT4系列(TO247-4)碳化硅MOSFET· 低導(dǎo)通電阻：適用于高壓、大電流環(huán)境，顯著降低功率損耗�！� 高可靠性：在高溫、高濕度等復(fù)雜環(huán)境下仍能保持穩(wěn)定性能。
2. MT7系列(TO263-7)碳化硅MOSFET· 快速開關(guān)：支持高效的雙向能量轉(zhuǎn)換，減少開關(guān)損耗�！� 優(yōu)化散熱：良好的熱導(dǎo)率確保器件在高負荷下穩(wěn)定運行
09結(jié)語碳化硅功率器件憑借其卓越的性能，正在推動車載充電機技術(shù)的革新。隨著電動汽車向高壓平臺和雙向充電方向發(fā)展，碳化硅基OBC將成為未來電動汽車充電系統(tǒng)的核心。愛仕特作為碳化硅技術(shù)的引領(lǐng)者，將繼續(xù)致力于為行業(yè)提供高效、可靠的解決方案，助力電動汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

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