【導(dǎo)讀】隨著全球電動(dòng)汽車市場對充電效率與架構(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(diǎn)聚焦系統(tǒng)級(jí)架構(gòu)創(chuàng)新的趨勢。
一、矩陣式架構(gòu)，化繁為簡
安森美（onsemi）11kW車載充電機(jī)（OBC）演示設(shè)計(jì)采用矩陣式轉(zhuǎn)換器功率拓?fù)?，專為電?dòng)汽車車載充電應(yīng)用開發(fā)，并輔以一項(xiàng)專有的高級(jí)控制算法。矩陣轉(zhuǎn)換器需要精密的控制策略與高速運(yùn)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(shí)現(xiàn)。
安森美的這一創(chuàng)新方案通過大幅減少被動(dòng)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(shè)計(jì)可同時(shí)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(biāo)準(zhǔn)（NACS）的要求。該標(biāo)準(zhǔn)采用的緊湊型雙電源針腳連接器能同時(shí)支持交流與直流充電，從而使單一平臺(tái)的車載充電機(jī)（OBC）方案能夠兼容全球主要標(biāo)準(zhǔn)，避免了為同一車型開發(fā)多個(gè)區(qū)域性版本。
該設(shè)計(jì)經(jīng)過多次版本優(yōu)化，成功驗(yàn)證了基于矩陣式轉(zhuǎn)換器的OBC的可行性與獨(dú)立運(yùn)行能力，并引入了多項(xiàng)實(shí)用改進(jìn)。其中包括重新設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)改進(jìn)提升效率，同時(shí)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(dá)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(jī)（OBC）系統(tǒng)規(guī)格
二、11kW矩陣式車載充電機(jī)－硬件設(shè)計(jì)師訪談
安森美電源解決方案事業(yè)部首席應(yīng)用工程師Daniel Goldmann
1.您為何選擇基于矩陣式轉(zhuǎn)換器拓?fù)鋪黹_發(fā)OBC演示設(shè)計(jì)？
在加入安森美之前，我已開始研究單級(jí)AC-DC轉(zhuǎn)換器。在攻讀博士學(xué)位期間，我曾主導(dǎo)一個(gè)研究項(xiàng)目，探索基于雙有源橋（DAB）的單相單級(jí)AC-DC變換器用于固定式儲(chǔ)能系統(tǒng)。加入安森美后，我成功將其作為一個(gè)值得關(guān)注的拓?fù)涮岢?，以分析未來OBC對半導(dǎo)體器件的要求。
2.該演示設(shè)計(jì)相比市場上現(xiàn)有方案有哪些優(yōu)勢？
總體而言，單級(jí)轉(zhuǎn)換器相比傳統(tǒng)的兩級(jí)結(jié)構(gòu)所需被動(dòng)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(shí)現(xiàn)更優(yōu)性能。
3.為何矩陣式轉(zhuǎn)換器此前未被應(yīng)用于OBC？當(dāng)前哪些變化使其成為可能？
單級(jí)轉(zhuǎn)換器，尤其是在連接三相電網(wǎng)時(shí)，其控制復(fù)雜度遠(yuǎn)高于兩級(jí)方案。這不但延緩了其實(shí)際應(yīng)用，也對微控制器的計(jì)算能力提出了更高要求。同時(shí)，為確保雙向開關(guān)的安全換流，還需要微控制器SoC內(nèi)部的高級(jí)PWM硬件來生成復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)波形。
未完待續(xù)，在下一篇的技術(shù)實(shí)戰(zhàn)篇中，我們將從拓?fù)?、產(chǎn)品等多個(gè)維度拆解其設(shè)計(jì)奧秘。
Daniel Goldmann簡介：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，在分析未來系統(tǒng)應(yīng)用趨勢的同時(shí)，致力于開發(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)。
