隨著全球電動(dòng)汽車市場(chǎng)對(duì)充電效率與架構(gòu)靈活性的要求不斷提升，OBC技術(shù)正迎來(lái)從繁至簡(jiǎn)的變革。為了深度拆解這一前沿趨勢(shì)，我們將通過(guò)兩篇系列文章介紹11 kW矩陣式OBC創(chuàng)新方案。第一篇講解了系統(tǒng)級(jí)架構(gòu)創(chuàng)新的趨勢(shì)。本文將聚焦安森美（onsemi）11kW 矩陣式 OBC 核心技術(shù)詳解與器件應(yīng)用解析。

11kW矩陣式車載充電機(jī)－硬件設(shè)計(jì)師訪談

Daniel Goldmann安森美電源解決方案事業(yè)部首席應(yīng)用工程師

Daniel Goldmann擁有電氣工程與信息技術(shù)專業(yè)的工學(xué)學(xué)士（B.Eng.）和理學(xué)碩士（M.Sc.）學(xué)位，目前正在攻讀博士學(xué)位。他曾擔(dān)任大學(xué)研究員，自2023年起加入安森美，在分析未來(lái)系統(tǒng)應(yīng)用趨勢(shì)的同時(shí)，致力于開(kāi)發(fā)下一代半導(dǎo)體技術(shù)。其主要研究方向包括電力電子系統(tǒng)多域仿真，以及面向各類汽車與工業(yè)應(yīng)用的交流/直流轉(zhuǎn)換器控制技術(shù)。

1. 安森美針對(duì)該設(shè)計(jì)和拓?fù)涮峁┝四男┊a(chǎn)品？

我們提供符合車規(guī)認(rèn)證的柵極驅(qū)動(dòng)器和輔助電源解決方案，用于驅(qū)動(dòng)碳化硅（SiC）功率器件，并同步供應(yīng)此類功率器件本身。該單級(jí)矩陣式OBC在所有工況下均可實(shí)現(xiàn)全軟開(kāi)關(guān)，這意味著功率器件的開(kāi)通損耗可以忽略不計(jì)。因此，理想的器件應(yīng)具備快速、低損耗的關(guān)斷特性以及低導(dǎo)通電阻（RDS(ON)）。安森美的EliteSiC MOSFET正是理想之選，例如頂部散熱封裝的23 mΩ、650V M3S系列器件NVT2023N065M3S。M3S技術(shù)采用平面半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，確保器件在整個(gè)壽命周期內(nèi)RDS(ON)、閾值電壓VGS(TH)和體二極管壓降穩(wěn)定無(wú)漂移，同時(shí)保證負(fù)柵極驅(qū)動(dòng)電壓下的可靠工作。

2. 該演示設(shè)計(jì)包含哪些主要電子元器件和電路？

該設(shè)計(jì)可分為兩部分：第一部分是矩陣式OBC，它將電網(wǎng)側(cè)交流電轉(zhuǎn)換為直流電，同時(shí)控制功率流實(shí)現(xiàn)電氣隔離。所有這些功能集成于單一轉(zhuǎn)換級(jí)，從而帶來(lái)前述優(yōu)勢(shì)。然而，在單相供電時(shí)，矩陣OBC輸出端會(huì)出現(xiàn)100/120 Hz的功率脈動(dòng)。若電動(dòng)汽車電池可接受該紋波，則無(wú)需額外處理；若要求輸出紋波較低，則需有源濾波。這就引出了演示設(shè)計(jì)的第二部分，即“智能電容”，它是一種有源濾波元件，在單相電網(wǎng)輸入時(shí)用于平滑輸出功率，直至達(dá)到規(guī)定的紋波要求。

圖1. 單級(jí)矩陣式DAB轉(zhuǎn)換器與智能電容濾波示意圖

3. 您的設(shè)計(jì)如何同時(shí)兼容北美和歐洲充電標(biāo)準(zhǔn)，從而避免為同一款車型開(kāi)發(fā)兩種不同的OBC？

本演示設(shè)計(jì)可在額定功率下兼容三相（歐洲標(biāo)準(zhǔn)）或單相（北美標(biāo)準(zhǔn)）電網(wǎng)供電。在單相運(yùn)行模式下，A相和B相連接至電網(wǎng)一側(cè)，C相連接至另一側(cè)。C相所用的半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通電阻RDS(ON)僅為A相和B相的一半，從而即使在單相電網(wǎng)供電下，也能實(shí)現(xiàn)高效功率轉(zhuǎn)換。A相與B相之間的電流則通過(guò)電網(wǎng)側(cè)濾波器實(shí)現(xiàn)平衡。

4. 針對(duì)電動(dòng)汽車電池，OBC在應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)換器輸出電流紋波方面的主要設(shè)計(jì)要求是什么？

目前市場(chǎng)上對(duì)OBC的要求各不相同：有些要求輸出紋波非常低，而另一些則相對(duì)寬松。然而，大量研究表明，在電池充電過(guò)程中，100/120 Hz的脈動(dòng)功率流可能對(duì)電池造成損害。我們預(yù)計(jì)未來(lái)會(huì)有更多整車廠（OEM）接受較為寬松的紋波要求，這將使矩陣式OBC無(wú)需使用有源濾波器，進(jìn)一步凸顯其相比傳統(tǒng)拓?fù)?，在減少元器件數(shù)量方面所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。

5. 矩陣式雙有源橋（Matrix-DAB）后端采用智能電容替代傳統(tǒng)無(wú)源輸出濾波器。這種新型電容為何被稱為"智能"解決方案？

這是因?yàn)锽ulk電容通過(guò)半橋轉(zhuǎn)換器連接。該設(shè)計(jì)使得電容電壓能夠在較大范圍內(nèi)波動(dòng)，同時(shí)保持輸出電壓穩(wěn)定，能夠更充分地利用電容器存儲(chǔ)的能量。雖然這種方案需要為物料清單增加額外的半導(dǎo)體器件和磁性元件，但減少了Bulk電容后，在重量、體積和成本方面的優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)超這些新增元件。

6. 目前正在測(cè)試的演示設(shè)計(jì)改進(jìn)版（第2版）功率密度高達(dá)2.4 kW/L。實(shí)現(xiàn)功率密度提升一倍以上的關(guān)鍵設(shè)計(jì)改進(jìn)是什么？

實(shí)現(xiàn)功率密度倍增的關(guān)鍵設(shè)計(jì)改進(jìn)在于元件布局的優(yōu)化。散熱器被設(shè)計(jì)為多面散熱：頂面用于交流側(cè)開(kāi)關(guān)矩陣散熱，底面用于直流側(cè)整流開(kāi)關(guān)和智能電容散熱，正面則用于集成電感的變壓器散熱。結(jié)合變壓器結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步改進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)了更高的功率密度。

圖2：11 kW 矩陣式OBC設(shè)計(jì)演進(jìn)：演示設(shè)計(jì)的新舊版本對(duì)比

7. 您能解釋一下在此演示設(shè)計(jì)中所采用的開(kāi)環(huán)控制概念嗎？

這一開(kāi)環(huán)控制概念是我在攻讀博士學(xué)位期間研發(fā)的。它僅需檢測(cè)交流側(cè)電壓和直流側(cè)電壓，無(wú)需檢測(cè)流經(jīng)變壓器的高頻電流，從而顯著降低了對(duì)檢測(cè)的需求。此外，該方法為單級(jí)矩陣式雙有源橋（Matrix DAB）設(shè)計(jì)了多種調(diào)制策略，確保在所有工作條件下都能實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)——即使在需要與電網(wǎng)交換無(wú)功功率的情況下也不例外。

8. 能否簡(jiǎn)要介紹一下您所開(kāi)發(fā)控制算法的核心組成部分？

控制算法在一個(gè)包含處理器和FPGA的系統(tǒng)芯片（SoC）上運(yùn)行。處理器負(fù)責(zé)完成電網(wǎng)同步和DQ坐標(biāo)變換，并執(zhí)行開(kāi)環(huán)控制——包括矩陣式雙有源橋（Matrix DAB）的調(diào)制計(jì)算，以及與FPGA的接口通信。FPGA 負(fù)責(zé)換相控制，根據(jù)開(kāi)環(huán)算法計(jì)算出的開(kāi)關(guān)時(shí)序?qū)?DAB 進(jìn)行調(diào)制，并管理交流側(cè)開(kāi)關(guān)矩陣（采用多步換流，為原邊電流提供續(xù)流路徑）。

9. 由于該演示設(shè)計(jì)本質(zhì)上是一種隔離式AC-DC功率拓?fù)?，除電?dòng)汽車之外，在其他應(yīng)用領(lǐng)域是否有潛力？

是的。任何需要隔離式AC-DC變換的場(chǎng)合都可以使用這種拓?fù)洹＠?，服?wù)器電源、固態(tài)變壓器等眾多應(yīng)用。

頂部散熱封裝如何革新EliteSiC MOSFET的熱性能

為滿足OBC應(yīng)用日益嚴(yán)苛的需求——包括更高的功率密度、更低的損耗以及顯著提升可靠性——安森美推出了采用頂部散熱 T2PAK 封裝的全新 EliteSiC MOSFET。

本演示設(shè)計(jì)在其功率級(jí)中采用了 650V T2PAK MOSFET，顯著提升了熱性能、增加了功率密度，并優(yōu)化了開(kāi)關(guān)特性。T2PAK 是一種專為滿足汽車和工業(yè)高壓（HV）應(yīng)用嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)的頂部散熱封裝?？蓪?shí)現(xiàn)與外部散熱器或金屬外殼的直接熱接觸，將熱量高效導(dǎo)離主印刷電路板（PCB），從而大幅改善整體散熱性能。

低寄生電感的緊湊型設(shè)計(jì)

T2PAK 封裝通過(guò)取消長(zhǎng)引腳，相比 D2PAK 或 TO-247-4L 封裝實(shí)現(xiàn)更緊湊的電流回路，顯著降低了寄生電感。這帶來(lái)了更優(yōu)的開(kāi)關(guān)性能：電壓過(guò)沖更低，電磁兼容性（EMC）更好，使其成為OBC等緊湊型高性能電源應(yīng)用的理想選擇。

此外，T2PAK 的爬電距離超過(guò) 5.6 mm，確保符合 IEC 60664-1 標(biāo)準(zhǔn)。

圖注：EliteSiC MOSFET T2PAK 引腳定義

安森美推出首批四款采用 T2PAK 封裝的 EliteSiC MOSFET，依托先進(jìn)的 M3S SiC 技術(shù)實(shí)現(xiàn)車規(guī)級(jí)性能。

安森美推出首批四款采用 T2PAK 封裝的 EliteSiC MOSFET，依托先進(jìn)的 M3S SiC 技術(shù)實(shí)現(xiàn)車規(guī)級(jí)性能。下方表格匯總了這些器件的關(guān)鍵特性。

表： 采用T2PAK 封裝 EliteSiC MOSFET 的關(guān)鍵特性（符合 AEC-Q101 認(rèn)證）

優(yōu)化的散熱與電氣設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)峰值性能，需要在外露的漏極焊盤與散熱器之間建立穩(wěn)固的熱界面。除了結(jié)到外殼的熱阻（RθJC）之外，整體熱性能還高度依賴于合理的導(dǎo)熱疊層以及高導(dǎo)熱性熱界面材料（TIM）的選用。精確地應(yīng)用熱界面材料能確保一致的散熱性能和長(zhǎng)期可靠性。

與底部散熱封裝相比，頂部散熱器件在降低換流回路中的寄生電感方面也具有顯著優(yōu)勢(shì)。這種設(shè)計(jì)使得PCB上的電氣布線更加靈活，并能實(shí)現(xiàn)更緊湊、更優(yōu)化的換流回路，從而直接降低開(kāi)關(guān)損耗，提升系統(tǒng)整體性能。