改用电动汽车(EV)后，驾驶员感受到的最大变化可能是补能方式不一样了。具体来说，他们不再需要驱车前往加油站，而是必须找到可用的充电点。

尽管公共充电桩的数量正在迅速增加，但许多人仍然更喜欢在家里充电。许多大功率公共充电桩提供直流电，能够直接给电池充电，但家用充电桩为交流电，因此必须使用车载充电器(OBC)将其转换为直流电才能给汽车充电。

图 1：典型电动汽车传动系统剖析（资料来源：安森美）

电动汽车技术飞速发展，汽车制造商正从400V迁移到800V电池架构。与此同时，消费者需求持续增长、电池容量(kWh)不断增加，如此种种因素使得OBC也必须不断进步。此外，许多人都希望提高电动汽车充电速度，因此在不超过电网供电能力的前提下，OBC电源的功率从早期设计的3.6kW提升到了7.2kW或11kW。

图 2：纯电动汽车(BEV)充电桩分类

OBC的关键设计考虑因素

在着手全面设计OBC之前，OBC设计人员必须了解会影响器件和拓扑结构选择的关键设计参数。

OBC功率水平会直接影响用户体验，因此确定OBC功率水平是至关重要的第一步。简单来说，OBC电源的功率越高，电池充电所需的时间就越短。在很多情况下，用户会在家里给汽车充电，此时他们通常在忙其他事情或者在休息，因此充电时间不是什么大问题。然而，对于出行中途的充电需求来说，充电时间就非常关键了。2级充电桩的额定功率一般约为7.2kW或11kW。OBC电源的功率水平设计应与电网容量和断路器的限制（如最大电流）相匹配。以230V电网为例。在OBC单相设计中，7.2kW的2级充电桩将消耗高达32A电流。11kW 的2级充电桩针对三相交流输入进行了优化，每相消耗的电流高达16A。

电动汽车加速在全球市场普及，但不同国家/地区的电网电压差异给汽车充电带来了挑战。北美地区广泛采用110V交流电，而在欧洲和中国，230V交流电较为普遍。电力行业通常采用86-264V AC的“通用输入”设计，这样一来，无论将车辆运送到哪里，都可以使用同一种OBC。

通过同一OBC充电端口即可借助路边提供直流电的快速充电桩为电动汽车充电，这时不需要在OBC内部进行AC-DC转换，因此通常要设计一个旁路功能，使直流电可以直接流入高压电池。

能效是OBC设计的一大关键参数。能效越高，给定时间内向电池输送的电量就越多，进而能够缩短充电时间，这在OBC电网每相功率接近限值的情况下尤为有效。

OBC电源能效越低，设备内部产生的热量就越多。这不仅会造成浪费，而且还需要额外的散热措施，而现代电动汽车的空间有限，这一点颇具挑战性。OBC设计的尺寸和重量增加，会增加车辆的重量，并提高行驶过程消耗的电量，最终导致缩短车辆的整体续航里程。

提高能效是OBC电源设计人员的首要任务，而这是一项复杂的挑战，需要从多方面入手。虽然转换拓扑和控制方案也有很大影响，但器件（特别是MOSFET）的选择对于实现更优能效的作用也不容小觑。

OBC设计中的功率级

通常，OBC设计主要包含三个模块：EMI滤波器、功率因数校正(PFC)级和包含独立初级与次级部分的隔离式DC-DC转换器。

图 3：典型OBC设计内主要功率级的框图（资料来源：安森美）

PFC级位于OBC电源的前端，负责执行许多重要功能。首先，它将输入的交流电网电压整流为直流电压，通常称其为“母线电压”。此外还会对这个电压进行调节，通常使其保持在400V左右，具体取决于电网的输入交流电压。

PFC级的另一个重要功能是改善功率因数。如果没有PFC提高功率因数， 那么低功率因数对电网更像一个污染源，耗电量也会增加。为此，PFC级会努力保持电压和电流波形同相，并将电流波形整形为尽可能接近纯正弦波，从而降低总谐波失真(THD)。良好的PFC级会使电路的功率因数接近1。

DC-DC转换器有两个作用：一个是隔离来自电网的电压；另一个是将来自PFC级的母线电压转换为适合给电动汽车充电的电压水平，即400V或800V。

DC-DC转换器的初级会“斩切”直流母线电压，调整其幅值，使其能够通过初级和次级之间的变压器，而次级则会整流输出电压，并调节到适合给电池充电的水平。

结论

设计高效的OBC电源并非易事，OBC的尺寸和性能对于电动汽车运行和整体客户体验的影响非常显著。相关OBC设计必须能够处理各种输入电压，并尽可能高效地在轻便紧凑的结构中完成千瓦级功率的转换。

可供考虑的拓扑和控制方案有很多，可供选择的器件非常广泛，而这些元素将共同决定最终OBC设计的性能。

为简化OBC设计任务，许多OBC设计人员倾向于从有限的供应商那里选购器件，理想情况下，可能仅与一家供应商建立长期合作关系。

安森美(onsemi)提供种类广泛的分立器件和功率模块，能够一站式满足完整OBC电源系统的设计需求。