隨著全球電動汽車市場對充電效率與架構靈活性的要求不斷提升，OBC技術正迎來從繁至簡的變革。為了深度拆解這一前沿趨勢，我們將通過兩篇系列文章介紹11 kW矩陣式OBC創新方案。

第一篇講解了系統級架構創新的趨勢。本文將聚焦安森美（onsemi）11kW 矩陣式 OBC 核心技術詳解與器件應用解析。

11kW矩陣式車載充電機－硬件設計師訪談

Daniel Goldmann擁有電氣工程與信息技術專業的工學學士（B.Eng.）和理學碩士（M.Sc.）學位，目前正在攻讀博士學位。他曾擔任大學研究員，自2023年起加入安森美，在分析未來系統應用趨勢的同時，致力于開發下一代半導體技術。其主要研究方向包括電力電子系統多域仿真，以及面向各類汽車與工業應用的交流/直流轉換器控制技術。

1. 安森美針對該設計和拓撲提供了哪些產品？

我們提供符合車規認證的柵極驅動器和輔助電源解決方案，用于驅動碳化硅（SiC）功率器件，并同步供應此類功率器件本身。該單級矩陣式OBC在所有工況下均可實現全軟開關，這意味著功率器件的開通損耗可以忽略不計。因此，理想的器件應具備快速、低損耗的關斷特性以及低導通電阻（R_DS(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技術采用平面半導體結構，確保器件在整個壽命周期內R_DS(ON)、閾值電壓V_GS(TH)和體二極管壓降穩定無漂移，同時保證負柵極驅動電壓下的可靠工作。

2. 該演示設計包含哪些主要電子元器件和電路？

該設計可分為兩部分：第一部分是矩陣式OBC，它將電網側交流電轉換為直流電，同時控制功率流實現電氣隔離。所有這些功能集成于單一轉換級，從而帶來前述優勢。然而，在單相供電時，矩陣OBC輸出端會出現100/120 Hz的功率脈動。若電動汽車電池可接受該紋波，則無需額外處理；若要求輸出紋波較低，則需有源濾波。這就引出了演示設計的第二部分，即“智能電容”，它是一種有源濾波元件，在單相電網輸入時用于平滑輸出功率，直至達到規定的紋波要求。

圖1. 單級矩陣式DAB轉換器與智能電容濾波示意圖

3. 您的設計如何同時兼容北美和歐洲充電標準，從而避免為同一款車型開發兩種不同的OBC？

本演示設計可在額定功率下兼容三相（歐洲標準）或單相（北美標準）電網供電。在單相運行模式下，A相和B相連接至電網一側，C相連接至另一側。C相所用的半導體器件的導通電阻R_DS(ON)僅為A相和B相的一半，從而即使在單相電網供電下，也能實現高效功率轉換。A相與B相之間的電流則通過電網側濾波器實現平衡。

4. 針對電動汽車電池，OBC在應對轉換器輸出電流紋波方面的主要設計要求是什么？

目前市場上對OBC的要求各不相同：有些要求輸出紋波非常低，而另一些則相對寬松。然而，大量研究表明，在電池充電過程中，100/120 Hz的脈動功率流可能對電池造成損害。我們預計未來會有更多整車廠（OEM）接受較為寬松的紋波要求，這將使矩陣式OBC無需使用有源濾波器，進一步凸顯其相比傳統拓撲，在減少元器件數量方面所帶來的優勢。

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

這是因為Bulk電容通過半橋轉換器連接。該設計使得電容電壓能夠在較大范圍內波動，同時保持輸出電壓穩定，能夠更充分地利用電容器存儲的能量。雖然這種方案需要為物料清單增加額外的半導體器件和磁性元件，但減少了Bulk電容后，在重量、體積和成本方面的優勢遠超這些新增元件。

6. 目前正在測試的演示設計改進版（第2版）功率密度高達2.4 kW/L。實現功率密度提升一倍以上的關鍵設計改進是什么？

實現功率密度倍增的關鍵設計改進在于元件布局的優化。散熱器被設計為多面散熱：頂面用于交流側開關矩陣散熱，底面用于直流側整流開關和智能電容散熱，正面則用于集成電感的變壓器散熱。結合變壓器結構的進一步改進，最終實現了更高的功率密度。

圖2：11 kW 矩陣式OBC設計演進：演示設計的新舊版本對比

7. 您能解釋一下在此演示設計中所采用的開環控制概念嗎？

這一開環控制概念是我在攻讀博士學位期間研發的。它僅需檢測交流側電壓和直流側電壓，無需檢測流經變壓器的高頻電流，從而顯著降低了對檢測的需求。此外，該方法為單級矩陣式雙有源橋（Matrix DAB）設計了多種調制策略，確保在所有工作條件下都能實現軟開關——即使在需要與電網交換無功功率的情況下也不例外。

8. 能否簡要介紹一下您所開發控制算法的核心組成部分？

控制算法在一個包含處理器和FPGA的系統芯片（SoC）上運行。處理器負責完成電網同步和DQ坐標變換，并執行開環控制——包括矩陣式雙有源橋（Matrix DAB）的調制計算，以及與FPGA的接口通信。FPGA 負責換相控制，根據開環算法計算出的開關時序對 DAB 進行調制，并管理交流側開關矩陣（采用多步換流，為原邊電流提供續流路徑）。

9. 由于該演示設計本質上是一種隔離式AC-DC功率拓撲，除電動汽車之外，在其他應用領域是否有潛力？

是的。任何需要隔離式AC-DC變換的場合都可以使用這種拓撲。例如，服務器電源、固態變壓器等眾多應用。

為滿足OBC應用日益嚴苛的需求——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。

本演示設計在其功率級中采用了 650V T2PAK MOSFET，顯著提升了熱性能、增加了功率密度，并優化了開關特性。T2PAK 是一種專為滿足汽車和工業高壓（HV）應用嚴苛標準而設計的頂部散熱封裝。可實現與外部散熱器或金屬外殼的直接熱接觸，將熱量高效導離主印刷電路板（PCB），從而大幅改善整體散熱性能。

T2PAK 封裝通過取消長引腳，相比 D2PAK 或 TO-247-4L 封裝實現更緊湊的電流回路，顯著降低了寄生電感。這帶來了更優的開關性能：電壓過沖更低，電磁兼容性（EMC）更好，使其成為OBC等緊湊型高性能電源應用的理想選擇。

此外，T2PAK 的爬電距離超過 5.6 mm，確保符合 IEC 60664-1 標準。

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，依托先進的 M3S SiC 技術實現車規級性能。

安森美推出首批四款采用 T2PAK 封裝的 EliteSiC MOSFET，依托先進的 M3S SiC 技術實現車規級性能。下方表格匯總了這些器件的關鍵特性。

表： 采用T2PAK 封裝 EliteSiC MOSFET 的關鍵特性（符合 AEC-Q101 認證）

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

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勢。這種設計使得PCB上的電氣布線更加靈活，并能實現更緊湊、更優化的換流回路，從而直接降低開關損耗，提升系統整體性能。