在新能源汽车快速发展的背景下，车载充电系统(OBC)正面临高功率密度和系统复杂性不断提升的挑战。
我们将深度解析高功率密度OBC设计中的难点与应对方法，涵盖热管理、机械完整性以及电热协同仿真技术在系统优化中的作用。通过探讨设计革新，尝试为未来的高效车载充电系统提供技术思路和方向。
Part 1
在 Tiny Power Box 项目中，目标是实现超越现有技术水平的功率密度，如从初始的 3.1kW/L 向更高目标迈进（如 5kW/L 及以上），这对芯片的性能和散热能力提出了巨大挑战。
高功率密度意味着芯片需要在更小的体积内处理更高的功率，容易导致过热问题，影响芯片的稳定性和寿命。
OBC（车载充电器）在能量转换效率、系统可靠性和体积优化方面提出了更高的要求，实现高功率密度与紧凑结构的集成化设计，依然面临以下核心挑战：
● 热管理与散热效率：OBC的高功率密度不可避免地增加了系统的热流密度。
功率半导体如SiC MOSFET的散热依赖于热界面材料（TIM）的均匀压缩。然而，PCB翘曲、冷却板变形和TIM不均匀压缩可能导致局部过热，最终影响系统性能和寿命。
● 机械完整性与结构设计：OBC中不同组件的机械组装需确保系统的抗震能力和热连接稳定性。
TIM厚度的精确控制以及冷却液路的设计至关重要。例如，若冷却液分布不均，将导致热热点和效率下降。此外，铝制冷却板及其配套支撑结构需要在机械负载和热传导间取得平衡。
● 电磁兼容性与电气隔离：现代OBC集成了单相和三相AC-DC转换功能，其复杂电路拓扑容易引发EMI（电磁干扰）问题。
同时，在提供电气隔离的同时，还需优化热界面的散热性能，尤其是在高压应用中需保证器件的安全性。
● 系统集成与仿真难度：OBC、DCDC 转换器等。
芯片需要与其他组件高度集成，在有限的空间内实现最优布局。然而，不同组件的尺寸、形状和功能需求各异，如何合理安排它们的位置，确保电气连接可靠、信号传输稳定、散热通道畅通，同时满足电磁兼容性（EMC）要求，是一个极具挑战性的任务。
传统的机械和电子设计方法无法满足高功率密度设计对热、电、机械三者的高度协同需求。当前需依赖电热协同仿真和高保真模型，以评估散热路径、电流密度分布和机械强度的相互作用。
为满足电动车辆多样化的功能需求，芯片架构需要具备高度的灵活性和可扩展性。例如，在支持不同功率等级（如 7kW、11kW 等）的 OBC 应用中，芯片架构要能够适应单相和三相操作模式，同时兼顾不同电压等级（如 250V - 460V HV 输出、12V LV 输出等）的转换需求，这对芯片的内部架构设计、模块划分和通信机制提出了很高的要求。
需要精确管理电源分配和转换。要实现高效的电能转换，如在 OBC 中将交流电转换为直流电，同时满足不同电压和功率的输出要求；
要具备良好的电源动态响应能力，以应对车辆启动、加速、充电等过程中的电源波动，确保系统稳定运行，芯片还需要在低功耗模式下实现节能。
Part 2
针对上述挑战，技术的创新为高效OBC设计提供了新的可能性。
● 采用先进的拓扑结构来提高效率和功率密度。例如，在 Tiny Power Box 项目中，利用多端口串联谐振拓扑等技术优化 OBC 的设计。
通过合理选择和配置功率半导体器件（如采用 750V SiC MOSFETs）、电感、电容等元件，提高电能转换效率，减少能量损失，同时缩小系统体积。
● 广泛应用模拟和仿真技术贯穿芯片设计过程。从系统级设计开始，利用精确的几何模型和材料数据进行多物理场仿真，包括热仿真、机械仿真、电磁仿真等。
通过仿真评估不同设计方案的性能，提前发现潜在问题，优化芯片布局、散热结构和电磁兼容性设计。
● 精心规划芯片与其他组件在 PCB 上的布局。根据功能模块划分区域，合理安排功率器件、无源元件、控制电路等的位置，确保电气连接最短路径，减少信号干扰和功率损耗。
同时，考虑散热需求，将发热量大的组件靠近散热系统，并预留足够的空间用于空气流通或冷却液通道。例如，在无源阶段设计中，根据元件体积确定整体布局空间，合理安排连接器、电感、变压器等元件的位置，并保证灌封材料有足够的流动空间。
在高功率密度设计中，电热协同仿真已成为关键工具，通过高保真3D CAD建模，结合简化后的仿真流程，有效评估散热路径、热阻及热交互。
研究表明，通过引入双面冷却技术，可大幅降低功率器件的峰值温度，同时提高系统效率。此外，缩减仿真模型的复杂性能够减少时间成本，而不损失关键热流特性。通过重新设计PCB的器件布局，可实现组件间最优的散热与电磁兼容性。
实验表明，提升被动元件与铝壳体间的间隙流动性，能显著提高冷却效率。同时，借助自适应空间的胶灌技术，不仅能稳定机械结构，还可降低振动和电磁干扰。
● 液冷系统已经逐步成为OBC散热的主流方案。通过嵌入式冷却通道设计，优化了冷却液流动路径，进一步提升散热性能。
最新实验表明，优化的单输入单输出冷却结构在最高温度条件下依然能保持效率不衰减，为未来设计提供了有效参考。
TIM厚度控制直接影响散热性能。结合机械挤压模型，精确调整TIM的压缩比例，使得热阻降低的同时，机械稳定性得以提高。
此外，复合材料如铝支撑结构和环氧树脂灌封技术的结合，不仅提高了系统的耐久性，也为元件间提供了良好的电绝缘性。
OBC作为新能源汽车电气化的重要组成部分，其高效设计需要平衡电气性能、散热管理和机械结构的多重需求。本文探讨了从电热仿真到组件优化的多维技术路径，为行业提供了创新思路。
本文由芝能智芯出品，致力于为半导体与新能源领域提供专业深度的技术解析与行业洞察。
