车载充电机（OBC）与高压 DC/DC

读完本页后，你应该能够：

• 画出 OBC 和 HV DC/DC 的标准框图：AC 输入 → EMI 滤波 → PFC → LLC / DAB → 电池 / 12 V。
• 区分单相 3.3 / 6.6 kW、三相 11 / 22 kW、双向 11/22 kW OBC 的拓扑差异。
• 解释 PFC 三代拓扑（Boost → Totem-Pole GaN → Vienna）的效率、成本、EMI 取舍。
• 对比 LLC、移相全桥、DAB 在 OBC 隔离级的地位与选型边界。
• 说出 V2G / V2L / V2H 的区别，以及 ISO 15118-20 / CHAdeMO 2.0 的双向支持。
• 给出 HV DC/DC 的 4 种拓扑（LLC / 双有源桥 DAB / 移相全桥 / Flyback）选型场景。
• 列出 OBC + DC/DC 的关键标准与合规路径（ISO 15118 / ECE R100 / CCS / GB/T 27930）。

1.1 OBC 标准架构

OBC(车载充电机) 把 AC 电网转换为 HV 电池能接受的 DC,标准架构是 AC → EMI 滤波 → PFC(功率因数校正) → DC 中间母线 → DC/DC 隔离 → HV 电池。每一段独立模块解决独立问题——EMI 满足 CISPR 25、PFC 满足 IEC 61000-3-2、DC/DC 隔离满足 ISO 6469-3 隔离要求。这条架构是 ECE R100 和电网谐波法规共同决定的工程必然。

1.2 HV DC/DC 架构

HV DC/DC 解决"HV 电池怎么给 LV 电子供电"的问题——需要把 400/800V 转成 12/48V 同时严格隔离(任何 HV→LV 漏电都是触电风险)。架构上是"功率级 + 高频变压器 + 同步整流"三段,关键在隔离:变压器初次级要满足 ISO 6469-3 加强绝缘标准。

1.3 OBC + DCDC 二合一

现代 EV 大量把 OBC 和 HV DC/DC 集成到一个总成里：

• 共用外壳 / 散热 / 控制板 / 通信
• 共用 HV 接触器管理
• 典型 OBC 11 kW + DCDC 3 kW 总成约 6–10 kg，占 15–25 L 体积
• 代表：博世、法雷奥、联合电子、比亚迪自研

OBC 功率等级与电网接入能力强相关——3.3 kW 单相 16A 是住宅普通插座极限、6.6 kW 单相 32A 北美主流、11 kW 三相 16A 欧洲家用极限、22 kW 三相 32A 公共慢充。升级路径不是无限扩:超过 22 kW 必须改用直流快充(走 CCS/GB/T 直接给电池),与 OBC 是两套体系。

区域差异：

• 北美：120 V / 240 V 单相主导；Level 2 约 6.6–11.5 kW
• 欧洲：三相 380 V 普及；11 kW 是标配
• 中国：私桩 7 kW 居多；三相 380 V 公桩常见

PFC 拓扑历经三代演进——核心驱动是消除整流桥的二极管损耗。Gen 1 Boost 用整流桥 + Boost 简单可靠但效率 < 96%;Gen 2 交错并联降低纹波但仍有桥损;Gen 3 Totem-Pole 配合 GaN 直接去掉整流桥效率冲到 99%;Vienna 是三相版的 Gen 3+。每代都不是完全替代,而是按功率/成本对号入座。

3.1 Boost PFC

第一代 Boost PFC 是整流桥 + Boost 拓扑的串联——结构最简单,但整流桥本身吃 1~2% 效率,$Q_{rr}$ 引起的反向恢复损耗也吃几个百分点。所以效率天花板在 97% 左右,已是极限。

• 单二极管整流 + Boost 电感 + MOSFET + 输出电容
• 简单、便宜
• 效率约 97 %
• 硬开关、Qrr 引起损耗

3.2 Totem-Pole Bridgeless PFC（GaN 主场）

Totem-Pole 直接去掉整流桥,用两对桥臂处理 AC 半波——前提是开关器件能反向导通(GaN HEMT 天生反向导通,Si MOSFET 体二极管 $Q_{rr}$ 太大不行)。这是为什么 Totem-Pole 是 GaN 的车规突破口——没有 GaN 就没有 99% 效率的 OBC。

• 去掉整流桥，两对桥臂直接接 AC
• GaN 650 V 能做到 200 kHz+ 软开关
• 效率 99 %+
• 体积小 50 %
• GaN 的车规突破口——几乎所有新 OBC 都选这个

3.3 Vienna（三相专用）

Vienna 拓扑是三相版的 Totem-Pole——6 个开关 + Y 电容产生自然三电平。三电平意味着每个开关只承受 $V_{bus}/2$,在 11kW+ 三相系统中比二电平更省。典型应用是欧洲 11kW 与 22kW OBC 主流方案。

• 三相 6-switch + Y 电容
• 自然三电平
• 用于 11 kW / 22 kW 三相 OBC
• 效率 98 %+
• SiC MOSFET 1200 V 典型配置

4.1 LLC（主流）

LLC 是 OBC 隔离级的首选拓扑——全负载 ZVS + 高效率 + 控制简单三优势叠加。唯一限制是电压增益窄(±15%),所以只用在 PFC 后输出电压稳定的场景,不能直接接 100~400V 范围的 EV 电池。如果要适应宽电池电压,需要配合 PFC 输出宽调或者改用 CLLC/DAB。

• 串联谐振变压器
• ZVS 全负载；效率 98 %+
• 频率调制；控制相对简单
• 电压增益窄（±15 % 典型）
• 现代 OBC 主流

参见 功率电子学 第 3 节 LLC 深入。

4.2 DAB（Dual Active Bridge，双有源桥）

DAB 是当 LLC 增益窄不够用时的首选替代——两侧都是全桥,通过移相单变量控制功率方向和大小,天然双向(V2G 必备)。代价是 ZVS 范围受负载影响,轻载时 ZVS 容易丢。是 V2G / V2H 双向 OBC 的标准拓扑。

• 两侧都是全桥；移相控制
• 天然双向
• 电压增益宽（可 5:1）
• ZVS 范围受负载影响
• V2G / V2H 双向 OBC 的首选

4.3 移相全桥 PSFB

PSFB(Phase-Shift Full Bridge)是移相控制的全桥拓扑——单向,电压增益宽,曾是大功率单向 OBC 主流。现已被 LLC 挤出主流,仅在大功率商用车 OBC 等成本敏感且不需双向的场景保留。

• 全桥 + 谐振电感
• 单向；宽范围
• 成本较低但效率不如 LLC
• 退出主流，仅大功率商用车仍用

4.4 Flyback

Flyback 在 OBC 体系里只用于辅助电源(< 200W),不用作主功率级——能量转换密度太低,不适合 kW 级主链路。

• 小功率专用（< 200 W）
• 辅助电源；不用于主 OBC

4.5 选型

把 §4.1~4.4 四个拓扑落到具体应用场景,选型核心判别是功率等级 + 单/双向 + 输入电压范围。下表把行业典型场景与推荐拓扑对应。重点:V2G 强制要求 DAB(LLC 不能双向),否则要双 LLC 串联代价高。

5.1 三个概念

V2G/V2L/V2H 三个概念按"反向放电的对端"区分——V2G 给电网、V2L 给小电器、V2H 给家用。三者技术要求差很多:V2G 必须满足电网并网标准(频率同步、电压幅度精确)、V2L 只要做个 220V 插座、V2H 介于两者之间(独立运行)。

5.2 技术要求

V2X 不只是把 OBC 反过来用——整个功率链都要支持双向: PFC 要能反向做逆变器(Totem-Pole GaN 原生支持)、隔离级要双向(LLC 不行要 DAB)、EMI 滤波器两侧对称、通信协议要支持双向(ISO 15118-20)。任何一段不支持就不能 V2G。

• OBC 必须双向（LLC 不行，要 DAB 或双向 LLC 变体）
• PFC 也要双向（PFC 反向做逆变器；Totem-Pole GaN 原生支持）
• EMI 两侧对称（双向功率流 → 传导 EMI 方向可能反转）
• 通信协议支持（ISO 15118-20 支持双向；CCS2 / CHAdeMO 2.0+）

5.3 商业化进度

V2X 商业化按地域分两种推动力——电力市场需求(日本 V2H 应对地震、欧洲 V2G 储能套利)和应急备电(美国 Ford 飓风备电)。中国推进慢主因是电网体制不允许居民反向卖电,V2G 仍处试点。下面给当前业界落地标志案例。

• 日本 V2H：日产 Leaf + 尼查孔 V2H 桩；2015 起量产
• 欧洲 V2G：大众 ID.3 + The Mobility House；2022 起试点
• 美国 Ford Pro：F-150 Lightning 家庭储能 9 kW；2022 量产
• 中国：比亚迪海豚 / 宋 PLUS 部分带 V2L；V2G 试点

6.1 功率等级

HV→LV DC/DC 功率等级与车型类型挂钩——12V/150A 适合一般乘用车(整车 LV 负载约 1.5kW),12V/250A 给空气悬挂、加热座椅多的高端车型,48V/100A 给采用 48V 副电压的轻混和商用车。关键判别:不是按"够用就行"选,而是按车型未来 5 年的负载增长(电动尾门、电池加热)给余量。

6.2 拓扑选择

HV→LV 拓扑选择核心是输入隔离 + 大降压比($V_{in}$:$V_{out}$ ≈ 33:1 或 67:1)。LLC 是高端方案(效率 > 96%),ACF 是中端方案(效率 94%+ 用 GaN 提速),BUCK 不适合(隔离不够)。所以这一段拓扑库远窄于 OBC PFC 一段。

6.3 12 V 端的现状和 48 V 趋势

整车 LV 电压从 12V 升 48V 是行业 10 年来一直在讨论但落地慢的话题——优点明显(铜损 1/16、电流 1/4),但供应链改动巨大(几十家 Tier-2 供应商所有传感器和 BCM 都要重做)。Tesla Cybertruck 是首款全车 48V 量产车(2024),但传统 OEM 跟进慢,12V→48V 大规模迁移预计 2030 后。

• 传统 12 V：所有低压电子（ECU / 灯光 / 空调 / 娱乐）默认；铅酸电池备用
• 48 V 趋势：Tesla Cybertruck 全车 48 V；机器人 / 商用车 EPS；效率 / 铜损优势
• 12 V → 48 V 迁移不是一日之功：传感器 / BCM / 灯光供应链改动巨大；预计 2030 后逐步

7.1 材料与工艺

OBC 隔离变压器设计的四个核心选择都绑在频率上——铁芯材料按频率分(MnZn < 200kHz, NiZn 200kHz+)、Litz 线必须高频用、平面变压器只在 200kHz+ 才划算。频率不是越高越好:GaN OBC 200~500kHz 是当前性价比最优区间,继续往上走 EMI 治理成本陡增。

• 铁芯：MnZn 铁氧体 PQ / RM 系列；高频 200 kHz+ 用 NiZn
• Litz 线：> 100 kHz 必用，降趋肤损
• 平面变压器：PCB 集成绕组；体积小 50 %；成本高
• 灌封：汽车级要求耐振 + EMI 屏蔽；环氧灌封常见

7.2 隔离耐压

OBC 变压器隔离耐压按"是否人能触及"分两档——基本绝缘用于设备内部隔离(HV 内部),加强绝缘用于人能触及一侧(LV 12V/48V 给乘客电子)。OBC 必须用加强绝缘,因为 12V 侧有人接触(车窗按钮、座椅控制)。脉冲耐压另算,对应雷击标准。

• 基本绝缘：2.5 kV RMS（正常工作）
• 加强绝缘：5 kV RMS（人触及侧）
• 脉冲耐压：10–12 kV（1.2/50 μs 雷击）
• 符合 IEC 60664-1 / ISO 6469-3

7.3 漏感与功率密度

LLC 拓扑里漏感不是越小越好——刚好等于谐振电感时不需要外加 $L_r$,变压器集成漏感就够。这条让 LLC 比 PSFB 体积小 20~30%。但漏感只能粗调,精度不够时仍需外加 $L_r$ 微调。

• 漏感决定 LLC 谐振电感（可省外加电感）
• 漏感太小 → 需外加 Lr
• 漏感太大 → 电压纹波大
• 调节漏感靠绕组交错与位置

8.1 通信协议

充电通信协议按地域分三大体系——欧洲 ISO 15118 + CCS2、北美 SAE J1772 + CCS1、日本 CHAdeMO、中国 GB/T。每个体系都对应一种物理接口和一套通信协议,不通用——这是当年充电桩"接口大战"的遗产。新一代协议(ISO 15118-20、CHAdeMO 3.0)都加了双向和 Plug & Charge。

8.2 功能安全

OBC 功能安全按"失效后果"分两种风险——HV 漏到 LV(触电)和过充(电池热失控)。前者由 IMD/HVIL 监控,后者由 BMS+OBC 协同断路。两条独立机制对应 ASIL B(IMD) 和 ASIL C(过充防护)。详见 HV 安全。

• ECE R100 §5.1 HV 安全
• ISO 26262 Part 3–5 全链路 ASIL C/D
• HVIL / IMD / Active Discharge 套用 HV 安全

8.3 EMC

OBC 是车里 EMI 最大的源——几 kW 高频开关 + 长线缆接电网。EMC 治理按"内外两侧"分:车内侧满足 CISPR 25(让 OBC 不干扰其它 ECU),电网侧满足 IEC 61000-3-2(限制注入电网的谐波)。两侧对策不同:车内侧靠屏蔽 + 共模扼流圈,电网侧靠 PFC 本身把谐波压下去。

• CISPR 25 车载 EMI
• ISO 11452-x 抗扰度
• CISPR 32 家用电器（充电时）
• ISO 7637-2 瞬态

8.4 Plug & Charge

ISO 15118-2 / -20 定义无感充电：车插桩即启动，后台 PKI 认证 + 计费；2025 起欧美快充桩强制；对 OBC 软件要求大幅提升。

11 kW 三相双向 OBC + 3 kW HV DC/DC 二合一

10.1 常见陷阱

OBC 设计陷阱多集中在控制环路 + EMI + 长期可靠性三个方向。每个陷阱都对应一类难以在 DV 阶段复现的问题——LLC 谐振漂移、Totem-Pole 共模噪声、铅酸电池老化等都是量产后才暴露的"长尾问题"。下表给出 6 个高频陷阱与对策。

10.2 趋势

OBC 行业 2025-2030 的几个确定性技术演进——功率密度提升驱动 GaN 普及、双向需求驱动 DAB 普及、集成化驱动 OBC 进电池包。每条都是当前已经看到苗头但尚未规模化的方向。无线充电(WPT)是不确定方向:技术路径多,标准未统一,2027 试点。

1. 11 kW → 22 kW 成主流（欧洲）
2. 双向 V2G / V2H 市场爆发（2026–2028）
3. GaN Totem-Pole 全面普及（650 V GaN 价格跌至 Si 的 1.5× 以下）
4. ISO 15118-20 Plug & Charge 2025+ 强制
5. OBC 集成到电池包（BYD 刀片包内集成）
6. 无线充电（WPT，11 kW+）商业化，2027 试点

• OBC + HV DCDC 二合一是 EV 第二大功率单元；主驱工程师必须懂接口与 HV 协作。
• OBC 三代 PFC：Boost → Totem-Pole GaN（单相首选）→ Vienna（三相首选）；效率 97 → 99 %+。
• 隔离级拓扑：LLC（单向首选）/ DAB（双向首选）/ 移相全桥（商用车）/ Flyback（小功率）。
• 双向三兄弟：V2G（电网）/ V2L（电器）/ V2H（家庭）；ISO 15118-20 + CHAdeMO 2.0+ 支持。
• HV DCDC 主力 LLC + GaN；12 V / 1.8 kW 主流；48 V 在 Cybertruck 等前沿项目普及。
• Plug & Charge（ISO 15118-2/-20） 是 2025+ 合规强制；PKI 认证 + 无感插桩。
• SiC 1200 V + GaN 650 V 是当前器件共识；GaN 的车规突破口就在 OBC。
• 11 kW 三相 + 3 kW DCDC 的 5+ 年主流；双向版 2026 起爆发。
• 功率密度目标 > 3 kW/L；液冷 + 平面变压器 + Litz 绕组是密度达标手段。

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