面向EV充电系统的功率半导体实务指南：OBC与DC快充的SiC/GaN设计要点

随着EV（电动汽车）普及加速，车载充电器（OBC）和地面部署型DC快充基础设施两个领域，对功率半导体的性能要求都在快速提高。在市场从传统硅（Si）器件转向碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）的过程中，采购和设计负责人需要横向掌握拓扑变化、定量性能优势以及功能安全要求。

EV电池电压正在从400V向800V迁移，并已从高性能车型开始普及。高电压化能够提升充电效率并减轻电缆重量，但同时也使功率器件在耐压、开关损耗和热管理方面面临更严格的要求。

OBC拓扑变化：从单向充电到双向V2X

OBC充电输出覆盖范围很广，从电动滑板车用低于2kW，到高端EV用22kW不等。尤其在6.6kW至22kW区间，SiC优势明显（Wolfspeed）。基本架构由输入侧AC/DC转换器（PFC级）和隔离型DC/DC转换器两个模块组成。

在PFC级，图腾柱PFC的采用正在扩大。图腾柱PFC取消桥式整流器，将导通路径中的半导体器件数量从3个减少到2个，从而降低损耗，并实现双向运行。这种双向能力构成了包括V2H、V2G、V2V在内的V2X用例的物理基础。Infineon认为，基于SiC/GaN的宽禁带芯片对未来V2L、V2H、V2G用例不可或缺。

在价格竞争加剧的量产EV市场，Infineon观察到从模块转向分立器件的趋势。可组合Si、SiC、GaN的可扩展芯片组方案，使供应商能够覆盖成本敏感度不同的多个EV平台。

SiC采用的定量效果

采用Wolfspeed SiC MOSFET的OBC，相比传统硅方案可将损耗最高降低30%。这种损耗降低能够简化冷却系统，并使系统成本最高降低15%，从总拥有成本（TCO）角度支撑了SiC的竞争力，尽管SiC器件单价高于Si。功率密度最高可提升50%，有助于提高车身空间受限EV中的布置自由度。

作为具体设计案例，采用Wolfspeed 1200V C3M™ SiC MOSFET的22kW三相双向AFE转换器，在PFC模式和逆变器模式下均实现98.5%峰值效率、4.6 kW/L功率密度和45kHz开关频率。

DC快充：25kW至100kW级设计要求

地面部署型DC快充桩需要比OBC更高的输出功率。onsemi参考设计（SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK）采用1200V EliteSiC SiC功率集成模块，覆盖200V至1000V输出电压，可支持400V和800V两类EV电池系统充电。三相PFC和DAB拓扑还实现了双向电力转换，并在全输出范围内达到96%以上转换效率。输入规格同时支持欧洲400Vac和美国480Vac。

在欧洲市场部署EV充电基础设施时，符合EV充电设备标准IEC 61851以及EMC标准EN55011 Class A是前提条件。onsemi参考设计从设计阶段纳入这些要求，可缩短认证流程。onsemi产品组合覆盖乘用EV、商用车和农业车队，从AC Level 1/2到高功率Level 3 DC快充均有对应方案。

功能安全：ASIL-D与ISO 26262

车载电子部件必须符合基于ISO 26262的功能安全标准，要求安全等级按ASIL-A至ASIL-D规定。Infineon面向OBC的芯片组支持最高安全等级ASIL-D，有助于Tier 1供应商降低单独取得认证所需的成本和周期。

对采购和设计负责人的启示

支持800V正在成为新兴EV平台供应商认证中的事实前提条件。onsemi的OBC解决方案覆盖3.3kW至22kW、最高800V，并根据成本敏感度提供从EliteSiC MOSFET到混合IGBT的选择。SiC与Si混合架构，是面向需要平衡量产成本和性能的车型的现实迁移路径。

正如Infineon指出的，在成本压力下，分立器件选型可能在某些阶段比模块采用更为主流。采购策略需要根据用途、量产规模和设计余量，判断应采用模块还是进行分立器件优化。在DC快充桩竞争设计评估中，转换效率、功率密度和IEC 61851符合性可作为第一轮筛选标准。

参考FactCard