告别复杂架构，11kW矩阵式OBC如何实现系统级成本与空间等多重突破?

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11kW矩阵式OBC创新方案。本文为第一篇，将重点聚焦系统级架构创新的趋势。

一、 矩阵式架构，化繁为简

安森美(onsemi)11kW车载充电机(OBC)演示设计采用矩阵式转换器功率拓扑，专为电动汽车车载充电应用开发，并辅以一项专有的高级控制算法。矩阵转换器需要精密的控制策略与高速运算能力，这得益于现代微控制器和现场可编程门阵列(FPGA)的支撑得以实现。

安森美的这一创新方案通过大幅减少被动器件(如电容器与PFC扼流电感)的数量与体积，不仅有效提升了功率密度、缩小了整体尺寸，更显著降低了系统成本。

该设计可同时支持11kW三相交流充电与11kW单相交流充电，新增的单相兼容性满足北美充电标准(NACS)的要求。该标准采用的紧凑型双电源针脚连接器能同时支持交流与直流充电，从而使单一平台的车载充电机(OBC)方案能够兼容全球主要标准，避免了为同一车型开发多个区域性版本。

该设计经过多次版本优化，成功验证了基于矩阵式转换器的OBC的可行性与独立运行能力，并引入了多项实用改进。其中包括重新设计的变压器、优化的PCB布局及元器件排布，使功率密度从1.1kW/L显著提升至2.4kW/L。最新版本通过多重设计改进提升效率，同时采用安森美新型650V M3S EliteSiC MOSFET(采用T2PAK顶部散热封装)，峰值效率达到97.2%。

各地区车载充电系统规格

表1. 输入条件(交流有效值)-车载充电机(OBC)系统规格

二、 11kW矩阵式车载充电机-硬件设计师访谈

安森美电源解决方案事业部首席应用工程师Daniel Goldmann

1. 您为何选择基于矩阵式转换器拓扑来开发OBC演示设计?

在加入安森美之前，我已开始研究单级AC-DC转换器。在攻读博士学位期间，我曾主导一个研究项目，探索基于双有源桥(DAB)的单相单级AC-DC变换器用于固定式储能系统。加入安森美后，我成功将其作为一个值得关注的拓扑提出，以分析未来OBC对半导体器件的要求。

2. 该演示设计相比市场上现有方案有哪些优势?

总体而言，单级转换器相比传统的两级结构所需被动器件更少(无需PFC电感和直流母线电容)。这使得在相同性能(如效率)下系统成本更低，或在同等成本下实现更优性能。

3. 为何矩阵式转换器此前未被应用于OBC?当前哪些变化使其成为可能?

单级转换器，尤其是在连接三相电网时，其控制复杂度远高于两级方案。这不但延缓了其实际应用，也对微控制器的计算能力提出了更高要求。同时，为确保双向开关的安全换流，还需要微控制器SoC内部的高级PWM硬件来生成复杂的驱动波形。

未完待续，在下一篇的技术实战篇中，我们将从拓扑、产品等多个维度拆解其设计奥秘。

Daniel Goldmann简介：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。