功率密度升至2.4kW/L：拆解11kW矩阵式OBC的实现路径

随着全球电动汽车市场对充电效率与架构灵活性的要求不断提升，OBC技术正迎来从繁至简的变革。为了深度拆解这一前沿趋势，我们将通过两篇系列文章介绍11 kW矩阵式OBC创新方案。

第一篇讲解了系统级架构创新的趋势。本文将聚焦安森美（onsemi）11kW 矩阵式 OBC 核心技术详解与器件应用解析。

11kW矩阵式车载充电机－硬件设计师访谈

Daniel Goldmann拥有电气工程与信息技术专业的工学学士（B.Eng.）和理学硕士（M.Sc.）学位，目前正在攻读博士学位。他曾担任大学研究员，自2023年起加入安森美，在分析未来系统应用趋势的同时，致力于开发下一代半导体技术。其主要研究方向包括电力电子系统多域仿真，以及面向各类汽车与工业应用的交流/直流转换器控制技术。

1. 安森美针对该设计和拓扑提供了哪些产品？

我们提供符合车规认证的栅极驱动器和辅助电源解决方案，用于驱动碳化硅（SiC）功率器件，并同步供应此类功率器件本身。该单级矩阵式OBC在所有工况下均可实现全软开关，这意味着功率器件的开通损耗可以忽略不计。因此，理想的器件应具备快速、低损耗的关断特性以及低导通电阻（R_DS(ON)）。安森美的EliteSiC MOSFET正是理想之选，例如顶部散热封装的23 mΩ、650V M3S系列器件NVT2023N065M3S。M3S技术采用平面半导体结构，确保器件在整个寿命周期内R_DS(ON)、阈值电压V_GS(TH)和体二极管压降稳定无漂移，同时保证负栅极驱动电压下的可靠工作。

2. 该演示设计包含哪些主要电子元器件和电路？

该设计可分为两部分：第一部分是矩阵式OBC，它将电网侧交流电转换为直流电，同时控制功率流实现电气隔离。所有这些功能集成于单一转换级，从而带来前述优势。然而，在单相供电时，矩阵OBC输出端会出现100/120 Hz的功率脉动。若电动汽车电池可接受该纹波，则无需额外处理；若要求输出纹波较低，则需有源滤波。这就引出了演示设计的第二部分，即“智能电容”，它是一种有源滤波元件，在单相电网输入时用于平滑输出功率，直至达到规定的纹波要求。

图1. 单级矩阵式DAB转换器与智能电容滤波示意图

3. 您的设计如何同时兼容北美和欧洲充电标准，从而避免为同一款车型开发两种不同的OBC？

本演示设计可在额定功率下兼容三相（欧洲标准）或单相（北美标准）电网供电。在单相运行模式下，A相和B相连接至电网一侧，C相连接至另一侧。C相所用的半导体器件的导通电阻R_DS(ON)仅为A相和B相的一半，从而即使在单相电网供电下，也能实现高效功率转换。A相与B相之间的电流则通过电网侧滤波器实现平衡。

4. 针对电动汽车电池，OBC在应对转换器输出电流纹波方面的主要设计要求是什么？

目前市场上对OBC的要求各不相同：有些要求输出纹波非常低，而另一些则相对宽松。然而，大量研究表明，在电池充电过程中，100/120 Hz的脉动功率流可能对电池造成损害。我们预计未来会有更多整车厂（OEM）接受较为宽松的纹波要求，这将使矩阵式OBC无需使用有源滤波器，进一步凸显其相比传统拓扑，在减少元器件数量方面所带来的优势。

5. 矩阵式双有源桥（Matrix-DAB）后端采用智能电容替代传统无源输出滤波器。这种新型电容为何被称为"智能"解决方案？

这是因为Bulk电容通过半桥转换器连接。该设计使得电容电压能够在较大范围内波动，同时保持输出电压稳定，能够更充分地利用电容器存储的能量。虽然这种方案需要为物料清单增加额外的半导体器件和磁性元件，但减少了Bulk电容后，在重量、体积和成本方面的优势远超这些新增元件。

6. 目前正在测试的演示设计改进版（第2版）功率密度高达2.4 kW/L。实现功率密度提升一倍以上的关键设计改进是什么？

实现功率密度倍增的关键设计改进在于元件布局的优化。散热器被设计为多面散热：顶面用于交流侧开关矩阵散热，底面用于直流侧整流开关和智能电容散热，正面则用于集成电感的变压器散热。结合变压器结构的进一步改进，最终实现了更高的功率密度。

图2：11 kW 矩阵式OBC设计演进：演示设计的新旧版本对比

7. 您能解释一下在此演示设计中所采用的开环控制概念吗？

这一开环控制概念是我在攻读博士学位期间研发的。它仅需检测交流侧电压和直流侧电压，无需检测流经变压器的高频电流，从而显著降低了对检测的需求。此外，该方法为单级矩阵式双有源桥（Matrix DAB）设计了多种调制策略，确保在所有工作条件下都能实现软开关——即使在需要与电网交换无功功率的情况下也不例外。

8. 能否简要介绍一下您所开发控制算法的核心组成部分？

控制算法在一个包含处理器和FPGA的系统芯片（SoC）上运行。处理器负责完成电网同步和DQ坐标变换，并执行开环控制——包括矩阵式双有源桥（Matrix DAB）的调制计算，以及与FPGA的接口通信。FPGA 负责换相控制，根据开环算法计算出的开关时序对 DAB 进行调制，并管理交流侧开关矩阵（采用多步换流，为原边电流提供续流路径）。

9. 由于该演示设计本质上是一种隔离式AC-DC功率拓扑，除电动汽车之外，在其他应用领域是否有潜力？

是的。任何需要隔离式AC-DC变换的场合都可以使用这种拓扑。例如，服务器电源、固态变压器等众多应用。

为满足OBC应用日益严苛的需求——包括更高的功率密度、更低的损耗以及显著提升可靠性——安森美推出了采用顶部散热 T2PAK 封装的全新 EliteSiC MOSFET。

本演示设计在其功率级中采用了 650V T2PAK MOSFET，显著提升了热性能、增加了功率密度，并优化了开关特性。T2PAK 是一种专为满足汽车和工业高压（HV）应用严苛标准而设计的顶部散热封装。可实现与外部散热器或金属外壳的直接热接触，将热量高效导离主印刷电路板（PCB），从而大幅改善整体散热性能。

T2PAK 封装通过取消长引脚，相比 D2PAK 或 TO-247-4L 封装实现更紧凑的电流回路，显著降低了寄生电感。这带来了更优的开关性能：电压过冲更低，电磁兼容性（EMC）更好，使其成为OBC等紧凑型高性能电源应用的理想选择。

此外，T2PAK 的爬电距离超过 5.6 mm，确保符合 IEC 60664-1 标准。

图注：EliteSiC MOSFET T2PAK 引脚定义

安森美推出首批四款采用 T2PAK 封装的 EliteSiC MOSFET，依托先进的 M3S SiC 技术实现车规级性能。

安森美推出首批四款采用 T2PAK 封装的 EliteSiC MOSFET，依托先进的 M3S SiC 技术实现车规级性能。下方表格汇总了这些器件的关键特性。

表： 采用T2PAK 封装 EliteSiC MOSFET 的关键特性（符合 AEC-Q101 认证）

要实现系统峰值性能，需要在外露的漏极焊盘与散热器之间建立稳固的热界面。除了结到外壳的热阻（RθJC）之外，整体热性能还高度依赖于合理的导热叠层以及高导热性热界面材料（TIM）的选用。精确地应用热界面材料能确保一致的散热性能和长期可靠性。

与底部散热封装相比，顶部散热器件在降低换流回路中的寄生电感方面也具有显著优势。这种设计使得PCB上的电气布线更加灵活，并能实现更紧凑、更优化的换流回路，从而直接降低开关损耗，提升系统整体性能。