這份安森美白皮書(shū)聚焦11kW 矩陣式車載充電機(jī)（OBC）創(chuàng)新方案，采用單級(jí)矩陣式 AC-DC 拓?fù)洌嫒萑蛉?/ 單相充電標(biāo)準(zhǔn)，可適配歐規(guī)與北美 NACS，減少多版本開(kāi)發(fā)。方案大幅精簡(jiǎn) PFC 電感、母線電容等被動(dòng)器件，搭配650V EliteSiC MOSFET（T2PAK 頂部散熱封裝），功率密度從 1.1kW/L 提升至2.4kW/L，峰值效率達(dá)97.2%。通過(guò)開(kāi)環(huán)控制 + FPGA+SoC實(shí)現(xiàn)全軟開(kāi)關(guān)與復(fù)雜調(diào)制，引入 “智能電容” 有源濾波優(yōu)化輸出紋波。整體方案具備高功率密度、高效率、低成本、高集成優(yōu)勢(shì)，可延伸至服務(wù)器電源、固態(tài)變壓器等隔離 AC-DC 場(chǎng)景。

采用單級(jí)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)多標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)汽車充電，重新定義面向全球電動(dòng)汽車平臺(tái)的 OBC 架構(gòu)

演示設(shè)計(jì)介紹 -- 項(xiàng)目概述

本款 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)洌瑢殡妱?dòng)汽車車載充電應(yīng)用開(kāi)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(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA) 的支撐得以實(shí)現(xiàn)。

安森美 (onsemi) 的這一創(chuàng)新方案通過(guò)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(kāi)發(fā)多個(gè)區(qū)域性版本。

該設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)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(guò)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

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、您為何選擇基于矩陣式轉(zhuǎn)換器拓?fù)鋪?lái)開(kāi)發(fā) OBC 演示設(shè)計(jì)？

在加入安森美之前，我已開(kāi)始研究單級(jí) AC-DC 轉(zhuǎn)換器。在攻讀博士期間，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)涮岢觯苑治鑫磥?lái) OBC 對(duì)半導(dǎo)體器件的要求。

2、該演示設(shè)計(jì)相比市場(chǎng)上現(xiàn)有方案有哪些優(yōu)勢(shì)？

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(wú)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(duì)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(kāi)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(lái)生成復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)波形。

4、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，同步供應(yīng)此類功率器件本身。該單級(jí)矩陣 OBC 在所有工況下均可實(shí)現(xiàn)全軟開(kāi)關(guān)，意味著功率器件的開(kāi)通損耗可以忽略不計(jì)。因此，理想器件應(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、650 V 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 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。

5、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。所有功能集成于單一轉(zhuǎn)換級(jí)，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) 100/120Hz 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

6、該設(shè)計(jì)如何同時(shí)兼容北美和歐洲充電標(biāo)準(zhǔn)，避免為同一款車型開(kāi)發(fā)兩種不同 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。

7、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)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，100/120Hz 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)洌跍p少元器件數(shù)量方面帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。

8、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？

因?yàn)?Bulk 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。

9、目前測(cè)試的演示設(shè)計(jì)改進(jìn)版 (第 2 版) 功率密度高達(dá) 2.4kW/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)鍵在于元件布局優(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)更高功率密度。

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

10、您能解釋在此演示設(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，顯著降低對(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)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。

11、能否簡(jiǎn)要介紹您所開(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)。

12、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)洌妱?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＠绶?wù)器電源、固態(tài)變壓器等眾多應(yīng)用。

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