【導讀】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11kW矩陣式OBC創(chuàng)新方案。本文為第一篇，將重點聚焦系統(tǒng)級架構創(chuàng)新的趨勢。
一、 矩陣式架構，化繁為簡
安森美（onsemi）11kW車載充電機（OBC）演示設計采用矩陣式轉(zhuǎn)換器功率拓撲，專為電動汽車車載充電應用開發(fā)，并輔以一項專有的高級控制算法。矩陣轉(zhuǎn)換器需要精密的控制策略與高速運算能力，這得益于現(xiàn)代微控制器和現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的支撐得以實現(xiàn)。
安森美的這一創(chuàng)新方案通過大幅減少被動器件（如電容器與PFC扼流電感）的數(shù)量與體積，不僅有效提升了功率密度、縮小了整體尺寸，更顯著降低了系統(tǒng)成本。
該設計可同時支持11kW三相交流充電與11kW單相交流充電，新增的單相兼容性滿足北美充電標準（NACS）的要求。該標準采用的緊湊型雙電源針腳連接器能同時支持交流與直流充電，從而使單一平臺的車載充電機（OBC）方案能夠兼容全球主要標準，避免了為同一車型開發(fā)多個區(qū)域性版本。
該設計經(jīng)過多次版本優(yōu)化，成功驗證了基于矩陣式轉(zhuǎn)換器的OBC的可行性與獨立運行能力，并引入了多項實用改進。其中包括重新設計的變壓器、優(yōu)化的PCB布局及元器件排布，使功率密度從1.1kW/L顯著提升至2.4kW/L。最新版本通過多重設計改進提升效率，同時采用安森美新型650V M3S EliteSiC MOSFET（采用T2PAK頂部散熱封裝），峰值效率達到97.2%。
各地區(qū)車載充電系統(tǒng)規(guī)格
表1. 輸入條件（交流有效值）－車載充電機（OBC）系統(tǒng)規(guī)格
二、 11kW矩陣式車載充電機－硬件設計師訪談
安森美電源解決方案事業(yè)部首席應用工程師Daniel Goldmann
1.您為何選擇基于矩陣式轉(zhuǎn)換器拓撲來開發(fā)OBC演示設計？
在加入安森美之前，我已開始研究單級AC-DC轉(zhuǎn)換器。在攻讀博士學位期間，我曾主導一個研究項目，探索基于雙有源橋（DAB）的單相單級AC-DC變換器用于固定式儲能系統(tǒng)。加入安森美后，我成功將其作為一個值得關注的拓撲提出，以分析未來OBC對半導體器件的要求。
2. 該演示設計相比市場上現(xiàn)有方案有哪些優(yōu)勢？
總體而言，單級轉(zhuǎn)換器相比傳統(tǒng)的兩級結構所需被動器件更少（無需PFC電感和直流母線電容）。這使得在相同性能（如效率）下系統(tǒng)成本更低，或在同等成本下實現(xiàn)更優(yōu)性能。
3. 為何矩陣式轉(zhuǎn)換器此前未被應用于OBC？當前哪些變化使其成為可能？
單級轉(zhuǎn)換器，尤其是在連接三相電網(wǎng)時，其控制復雜度遠高于兩級方案。這不但延緩了其實際應用，也對微控制器的計算能力提出了更高要求。同時，為確保雙向開關的安全換流，還需要微控制器SoC內(nèi)部的高級PWM硬件來生成復雜的驅(qū)動波形。
未完待續(xù)，在下一篇的技術實戰(zhàn)篇中，我們將從拓撲、產(chǎn)品等多個維度拆解其設計奧秘。
Daniel Goldmann簡介：Daniel Goldmann擁有電氣工程與信息技術專業(yè)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(tǒng)應用趨勢的同時，致力于開發(fā)下一代半導體技術。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)應用的交流／直流轉(zhuǎn)換器控制技術。
