【导读】当电动汽车充电体系从“功效重叠”走向“架构精简”，OBC技能正从头界说电能转换的效率界限。继首篇体系架构立异趋向切磋后，本文深度聚焦安森美11kW矩阵式OBC焦点技能与器件运用。经由过程与首席运用工程师Daniel Goldmann的对于话和技能拆解，从三个层面睁开：矩阵式双有源桥拓扑怎样以单级变换兼容单/三相电网尺度；EliteSiC MOSFET与顶部散热T2PAK封装怎样协同优化热治理与开关机能；开环节制算法怎样以极简传感实现全工况软开关。

1、 11kW矩阵式车载充机电－硬件设计师访谈

安森美电源解决方案事业部首席运用工程师Daniel Goldmann

1. 安森美针对于该设计及拓扑提供了哪些产物？

咱们提供切合车规认证的栅极驱动器及辅助电源解决方案，用在驱动碳化硅（SiC）功率器件，并同步供给此类功率器件自己。该单级矩阵式OBC于所有工况下都可实现全软开关，这象征着功率器件的开通损耗可以纰漏不计。是以，抱负的器件应具有快速、低损耗的关断特征以和低导通电阻（RDS(ON)）。安森美的EliteSiC MOSFET恰是抱负之选，例如顶部散热封装的23mΩ、650V M3S系列器件NVT2023N065M3S。M3S技能采用平面半导体布局，确保器件于整个寿命周期内RDS(ON)、阈值电压VGS(TH)及体二极管压降不变无漂移，同时包管负栅极驱动电压下的靠得住事情。

2. 该演示设计包罗哪些重要电子元器件及电路？

该设计可分为两部门：第一部门是矩阵式OBC，它将电网侧交流电转换为直流电，同时节制功率流实现电气断绝。所有这些功效集成在单一转换级，从而带来前述上风。然而，于单相供电时，矩阵OBC输出端会呈现100/120 Hz的功率脉动。若电动汽车电池可接管该纹波，则无需分外处置惩罚；若要求输出纹波较低，则需有源滤波。这就引出了演示设计的第二部门，即“智能电容”，它是一种有源滤波元件，于单相电网输入时用在光滑输出功率，直至到达划定的纹波要求。

图1：单级矩阵式DAB转换器与智能电容滤波示用意

3. 您的设计怎样同时兼容北美及欧洲充电尺度，从而防止为统一款车型开发两种差别的OBC？

本演示设计可于额定功率下兼容三相（欧洲尺度）或者单相（北美尺度）电网供电。于单相运行模式下，A相及B相毗连至电网一侧，C相毗连至另外一侧。C相所用的半导体器件的导通电阻RDS(ON)仅为A相及B相的一半，从而纵然于单相电网供电下，也能实现高效功率转换。A相与B相之间的电流则经由过程电网侧滤波器实现均衡。

4. 针对于电动汽车电池，OBC于应答转换器输出电流纹波方面的重要设计要求是甚么？

今朝市场上对于OBC的要求各不不异：有些要求输出纹波很是低，而另外一些则相对于宽松。然而，年夜量研究注解，于电池充电历程中，100/120 Hz的脉动功率流可能对于电池造成侵害。咱们估计将来会有更多整车厂（OEM）接管较为宽松的纹波要求，这将使矩阵式OBC无需利用有源滤波器，进一步凸显其比拟传统拓扑，于削减元器件数目方面所带来的上风。

5. 矩阵式双有源桥（Matrix-DAB）后端采用智能电容替换传统无源输出滤波器。这类新型电容为什么被称为“智能”解决方案？

这是由于Bulk电容经由过程半桥转换器毗连。该设计使患上电容电压可以或许于较年夜规模内颠簸，同时连结输出电压不变，可以或许更充实地使用电容器存储的能量。虽然这类方案需要为物料清单增长分外的半导体器件及磁性元件，但削减了Bulk电容后，于重量、体积及成本方面的上风远超这些新增元件。

6. 今朝正于测试的演示设计改良版（第2版）功率密度高达2.4kW/L。实现功率密度晋升一倍以上的要害设计改良是甚么？

实现功率密度倍增的要害设计改良于在元件结构的优化。散热器被设计为多面散热：顶面用在交流侧开关矩阵散热，底面用在直流侧整流开关及智能电容散热，正面则用在集成电感的变压器散热。联合变压器布局的进一步改良，终极实现了更高的功率密度。

图2：11 kW矩阵式OBC设计演进：演示设计的新旧版本对于比

7. 您能注释一下于此演示设计中所采用的开环节制观点吗？

这一开环节制观点是我于攻读博士学位时期研发的。它仅需检测交流侧电压及直流侧电压，无需检测流经变压器的高频电流，从而显著降低了对于检测的需求。此外，该要领为单级矩阵式双有源桥（Matrix DAB）设计了多种调制计谋，确保于所有事情前提下都能实现软开关——纵然于需要与电网互换无功功率的环境下也不破例。

8. 可否扼要先容一下您所开发节制算法的焦点构成部门？

节制算法于一个包罗处置惩罚器及FPGA的体系芯片（SoC）上运行。处置惩罚器卖力完成电网同步及DQ坐标变换，并履行开环节制——包括矩阵式双有源桥（Matrix DAB）的调制计较，以和与FPGA的接口通讯。FPGA卖力换相节制，按照开环算法计较出的开关时序对于DAB举行调制，并治理交流侧开关矩阵（采用多步换流，为原边电流提供续流路径）。

9. 因为该演示设计素质上是一种断绝式AC-DC功率拓扑，除了电动汽车以外，于其他运用范畴是否有潜力？

是的。任何需要断绝式AC-DC变换的场所均可以利用这类拓扑。例如，办事器电源、固态变压器等浩繁运用。

2、 顶部散热封装怎样改造EliteSiC MOSFET的热机能

为满意OBC运用日趋严苛的需求——包括更高的功率密度、更低的损耗以和显著晋升靠得住性——安森美推出了采用顶部散热T2PAK封装的全新EliteSiC MOSFET。

本演示设计于其功率级中采用了650V T2PAK MOSFET，显著晋升了热机能、增长了功率密度，并优化了开关特征。T2PAK是一种专为满意汽车及工业高压（HV）运用严苛尺度而设计的顶部散热封装。可实现与外部散热器或者金属外壳的直接热接触，将热量高效导离主印刷电路板（PCB），从而年夜幅改善总体散热机能。

3、 低寄生电感的紧凑型设计

T2PAK封装经由过程取缔长引脚，比拟D2PAK或者TO-247-4L封装实现更紧凑的电流回路，显著降低了寄生电感。这带来了更优的开关机能：电压过冲更低，电磁兼容性（EMC）更好，使其成为OBC等紧凑型高机能电源运用的抱负选择。

此外，T2PAK的爬电间隔跨越5.6 妹妹，确保切合IEC 60664-1尺度。

图3：EliteSiC MOSFET T2PAK 引脚界说

安森美推出首批四款采用T2PAK封装的EliteSiC MOSFET，依托进步前辈的M3S SiC技能实现车规级机能。下方表格汇总了这些器件的要害特征。

表：采用T2PAK封装EliteSiC MOSFET的要害特征（切合AEC-Q101认证）

4、 优化的散热与电气设计

要实现体系峰值机能，需要于外露的漏极焊盘与散热器之间成立安定的热界面。除了告终到外壳的热阻（RθJC）以外，总体热机能还有高度依靠在合理的导热叠层以和高导热性热界面质料（TIM）的选用。切确地运用热界面质料能确保一致的散热机能及持久靠得住性。

与底部散热封装比拟，顶部散热器件于降低换流回路中的寄生电感方面也具备显著上风。这类设计使患上PCB上的电气布线越发矫捷，并能实现更紧凑、更优化的换流回路，从而直接降低开关损耗，晋升体系总体机能。

Daniel Goldmann简介：Daniel Goldmann拥有电气工程与信息技能专业的工学学士（B.Eng.）及理学硕士（M.Sc.）学位，今朝正于攻读博士学位。他曾经担当年夜学研究员，自2023年起插手安森美，于阐发将来体系运用趋向的同时，致力在开发下一代半导体技能。其重要研究标的目的包括电力电子体系多域仿真，以和面向各种汽车与工业运用的交流／直流转换器节制技能。