隨著新能源汽車行業(yè)的發(fā)展與進步，提升新能源汽車續(xù)航里程成為了行業(yè)發(fā)展的主要任務之一，在動力電池能量密度不能持續(xù)增加的情況下，降低車用部件重量是提升續(xù)航里程的首選方案，碳化硅功率器件替代硅器件對OBC功率密度提升和重量降低有著顯著的效果。

1． 概要

OBC作為新能源汽車的核心部件之一，其效率、功率密度等參數(shù)對新能源汽車充電時間和續(xù)航里程具有一定影響。在保證系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性的前提下，更高的功率密度對減輕整車重量，提升整車續(xù)航里程具有積極推動作用，更高的效率對于縮短充電時間具有積極意義。

使用傳統(tǒng)硅基功率半導體作為核心功率器件的OBC在效率和功率密度上已經(jīng)達到瓶頸，繼續(xù)使用硅基半導體已無法較大幅度提升OBC的效率和功率密度。而碳化硅功率器件具有高頻高效的特點，在OBC上使用碳化硅功率器件對于提升OBC的效率和功率密度有較大幫助。

2． OBC發(fā)展趨勢

2008年，新能源汽車作為示范工程亮相北京奧運會，國家開始大力扶持新能源汽車行業(yè)，之后的10年里，新能源汽車經(jīng)歷了第一個高速發(fā)展的10年，OBC行業(yè)也在這10年中發(fā)生了巨大的變化。

欣銳科技是國內領先的車載電源制造商這里透過欣銳科技的產(chǎn)品發(fā)展歷史和趨勢來概覽行業(yè)的發(fā)展。欣銳科技車載電源產(chǎn)品在近十幾年經(jīng)過不斷的迭代和更新，OBC產(chǎn)品效率從2012年的93%提升到現(xiàn)在96%，預計到2020年，車載OBC產(chǎn)品效率可以達到97%-98%；集成產(chǎn)品體積從第一代的53.3L到第三代的11.2L，縮小了近80%，質量從第一代的26kg到第三代的12kg，降低了超過50%。碳化硅器件在欣銳科技車載電源產(chǎn)品效率、功率密度和質量密度提升上發(fā)揮了重要作用。

圖（一）欣銳科技OBC產(chǎn)品技術發(fā)展趨勢

表（一）欣銳科技集成產(chǎn)品 （資料來源：方正證券研究報告）

3． 碳化硅功率器件在OBC中的應用

OBC典型電氣結構由PFC和DC/DC兩部分組成 ，典型拓撲如圖（二）所示。

圖（二）6.6kW OBC典型拓撲電路

二極管和開關管（IGBT、MOSFET等）是OBC中主要應用的功率半導體器件。

3.1 碳化硅肖特基二極管在OBC中的應用

如圖（二）所示，OBC的前級PFC電路和后級DC/DC輸出電路中會使用到二極管（Da、Db、D1、D2、D3、D4），對于二極管應用而言，二極管會根據(jù)應用的開關頻率在正向導通和反向截止狀態(tài)切換。

二極管工作在正向導通狀態(tài)時，為了降低二極管自身的導通損耗，需要選擇正向導通壓降（VF）值盡可能低的二極管。

二極管工作在反向截止狀態(tài)時，為了降低其截止狀態(tài)下反向漏電流（IR）帶來的損耗，需要選擇反向漏電流小的二極管。

二極管在開關狀態(tài)切換時，為了降低其開通關斷過程的損耗，需要選擇輸入電容（QC）小、開通關斷速度快的二極管。

在碳化硅功率器件批量應用前，硅基超快恢復二極管在OBC的PFC電路有廣泛應用，而在輸出電路中，半導體廠商可以提供低VF值的產(chǎn)品來應對客戶的應用需求，但是上述單一性能優(yōu)秀的產(chǎn)品也存在明顯的弱點，只能適用于特定的領域。碳化硅材料的出現(xiàn)讓二極管的VF、IR、QC等技術指標同時滿足不同應用要求成為了可能。

相比與硅基肖特基二極管，碳化硅肖特基二極管的最大優(yōu)勢在于反向恢復電流IR可以忽略不計。

圖（三）碳化硅二極管與硅二極管反向恢復電流對比

對于OBC的PFC電路而言，硅基肖特基二極管的反向恢復損耗在其整體損耗中占據(jù)相當?shù)谋戎兀赑FC電路使用碳化硅肖特基二極管可有效提升PFC電路的效率；

碳化硅肖特基二極管的QC和VF兩個主要參數(shù)相比硅基二極管也具有一定優(yōu)勢，在OBC的后級輸出電路中使用碳化硅二極管可以進一步提升輸出整流的效率。

3.2 碳化硅MOSFET在OBC中的應用

在單相交流輸入的OBC（拓撲圖參考圖二）應用中，DC/DC的前段需要使用開關管將直流電壓逆變成交流電壓，由于PFC輸出的直流電壓在400V以下，且系統(tǒng)功率不超過6.6kW，選擇650V、20A的開關管即可。在650V 20A的檔位的開關管中，CoolMOSTM導通電阻和輸入電容QC在硅基產(chǎn)品中處于領先地位；650V碳化硅MOSFET跟650V CoolMOSTM相比，雖然其導通電阻和輸入電容都有一定的優(yōu)勢，但價格要比同規(guī)格CoolMOSTM高3-5倍，實際應用中CoolMOSTM在此市場中占據(jù)著主導地位。

縮短充電時間和提升動力電池電壓是新能源汽車發(fā)展的兩個主要課題：對于車載充電而言，單相OBC受交流電進線電流限制，功率最大只能做到6.6kW，采用三相輸入的模式可以將目前6.6kW的功率提升到11kW，大幅提升充電速度；電池電壓提升對于OBC技術的發(fā)展具有重要意義。

輸入電壓由單相220V AC變成三相380V AC后，PFC電輸出級的電壓會相應提高到550V左右，如果采用兩電平拓撲結構，650V的CoolMOSTM已經(jīng)無法滿足要求，需要選用900V/1200V的開關管器件。

電池電壓的提升，意味著OBC后級輸出電壓升高，配合目前OBC從單向到雙向的發(fā)展趨勢，DC/DC次級器件會從目前的650V二極管轉變成900V/1200V的開關管。

900V及以上規(guī)格CoolMOSTM產(chǎn)品成本較高，性能上與碳化硅MOSFET的差距比650V的器件更大，因此900V/1200V碳化硅MOSFET在三相11kW OBC中有著廣闊的應用前景。各車載電源廠家已經(jīng)陸續(xù)開始開發(fā)三相11kW OBC，首選方案均考慮使用碳化硅MOSFET作為DC/DC輸入級開關管，可以預見，未來三相11kW OBC將會成為碳化硅MOSFET的主要應用場景之一。

圖（四）雙向OBC拓撲簡圖

結合新能源汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢和碳化硅功率器件的特點，碳化硅二極管和MOSFET已經(jīng)在OBC應用中占據(jù)一定市場份額，未來的市場占比會逐步擴大，具備較為廣闊的市場。

4． 新一代符合OBC應用的碳化硅功率器件

碳化硅功率器件相比硅基器件具有很多優(yōu)勢，但部分技術指標和參數(shù)需要進一步提升，才能更好的適用于OBC系統(tǒng)。

4.1 適合OBC應用的新一代碳化硅肖特基二極管：

PFC電路是碳化硅二極管在OBC系統(tǒng)中的主要應用電路之一，其對二極管器件的抗浪涌能力要求較高，相比于硅基二極管，碳化硅二極管的抗浪涌電流能力相對較弱。如何在保證VF、IR、QC等核心參數(shù)不變或提升的情況下，提升器件的抗浪涌電流能力是碳化硅二極管發(fā)展面臨的重要課題之一。基本半導體推出的適合OBC行業(yè)應用的650V、20A碳化硅肖特基二極管（B1D20065HC），與國際主流競爭對手相比，主要技術參數(shù)與對手處在同一水平線或達到業(yè)內領先水平。

圖（五）650V、20A碳化硅肖特基二極管與競品主要參數(shù)對比

4.2 適合OBC應用的新一代碳化硅MOSFET：

碳化硅MOSFET開關速度快，開啟電壓Vth相比硅MOS要低不少，如何降低碳化硅MOSFET在高頻應用中的誤動作風險，是工程師在應用中碰到的最大問題。

如圖（六）、圖（七）所示，采用開爾文封裝工藝，將傳統(tǒng)的TO-247-3封裝變成TO-247-4封裝，可實現(xiàn)碳化硅MOSFET功率源極和驅動源極分開，有效降低碳化硅MOSFET關斷時L*di/dt對碳化硅MOSFET柵極的影響，降低MOSFET誤動作的風險。

圖（六） TO-247-3封裝碳化硅MOSFET 關斷過程簡圖

圖（七） TO-247-4封裝碳化硅MOSFET關斷過程

5． 基本半導體助推OBC行業(yè)發(fā)展

對于OBC而言，作為車載產(chǎn)品，其可靠性要求高于工業(yè)品，從產(chǎn)品可靠性的角度出發(fā)，各大車載電源制造商已開始逐步加大OBC系統(tǒng)中車規(guī)級器件的比例，碳化硅器件正是其中之一。國際品牌大廠中，CREE、ROHM、ST等品牌已經(jīng)陸續(xù)推出符合AEC-Q101的碳化硅功率器件，國內廠商中，此區(qū)域尚屬空白。

基本半導體作為國內碳化硅功率半導體領軍企業(yè)，致力于為各行各業(yè)提供優(yōu)質的碳化硅產(chǎn)品，為更好的服務于OBC行業(yè)客戶，助推OBC行業(yè)發(fā)展，基本半導體首款通過AEC-Q101測試的碳化硅肖特基二極管(B1D20065HCA)即將發(fā)布；同時，基本半導體1200V系列碳化硅MOSFET已開始AEC-Q101測試的籌備工作。