随着全球电动汽车市场的迅猛发展，对充电效率与架构灵活性的要求也日益提升。在这样的背景下，OBC（车载充电机）技术正经历着从繁至简的重要变革。为了深入探究这一前沿趋势，我们将通过两篇系列文章来详细介绍 11kW 矩阵式 OBC 创新方案。其中，第一篇文章已经讲解了系统级架构创新的趋势，而本文则聚焦于安森美（onsemi）11kW 矩阵式 OBC 的核心技术以及器件应用解析。
　　在与安森美电源解决方案事业部首席应用工程师 Daniel Goldmann 的访谈中，我们了解到了诸多关键信息。安森美针对该设计和拓扑提供了符合车规认证的栅极驱动器和辅助电源解决方案，用于驱动碳化硅（SiC）功率器件，同时也供应此类功率器件本身。单级矩阵式 OBC 在所有工况下均可实现全软开关，这意味着功率器件的开通损耗几乎可以忽略不计。因此，理想的器件应具备快速、低损耗的关断特性以及低导通电阻（RDS (ON)）。安森美的 EliteSiC MOSFET 正是满足这些要求的理想之选，例如顶部散热封装的 23mΩ、650V M3S 系列器件 NVT2023N065M3S。M3S 技术采用平面半导体结构，确保器件在整个寿命周期内 RDS (ON)、阈值电压 VGS (TH) 和体二极管压降稳定无漂移，同时保证负栅极驱动电压下的可靠工作。
　　该演示设计包含两部分主要内容。第一部分是矩阵式 OBC，它能将电网侧交流电转换为直流电，同时控制功率流实现电气隔离。所有这些功能集成于单一转换级，从而带来了诸多优势。然而，在单相供电时，矩阵 OBC 输出端会出现 100/120 Hz 的功率脉动。若电动汽车电池可接受该纹波，则无需额外处理；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分，即 “智能电容”，它是一种有源滤波元件，在单相电网输入时用于平滑输出功率，直至达到规定的纹波要求。
　　　图 1：单级矩阵式 DAB 转换器与智能电容滤波示意图
　　此演示设计可在额定功率下兼容三相（欧洲标准）或单相（北美标准）电网供电。在单相运行模式下，A 相和 B 相连接至电网一侧，C 相连接至另一侧。C 相所用的半导体器件的导通电阻 RDS (ON) 仅为 A 相和 B 相的一半，从而即使在单相电网供电下，也能实现高效功率转换。A 相与 B 相之间的电流则通过电网侧滤波器实现平衡。
　　目前市场上对 OBC 的输出纹波要求各不相同。大量研究表明，在电池充电过程中，100/120 Hz 的脉动功率流可能对电池造成损害。不过，预计未来会有更多整车厂（OEM）接受较为宽松的纹波要求，这将使矩阵式 OBC 无需使用有源滤波器，进一步凸显其相比传统拓扑，在减少元器件数量方面所带来的优势。
　　矩阵式双有源桥（Matrix - DAB）后端采用智能电容替代传统无源输出滤波器，这种新型电容被称为 “智能” 解决方案。这是因为 Bulk 电容通过半桥转换器连接，使得电容电压能够在较大范围内波动，同时保持输出电压稳定，能够更充分地利用电容器存储的能量。虽然这种方案需要为物料清单增加额外的半导体器件和磁性元件，但减少了 Bulk 电容后，在重量、体积和成本方面的优势远超这些新增元件。
　　目前正在测试的演示设计改进版（第 2 版）功率密度高达 2.4kW/L。实现功率密度提升一倍以上的关键设计改进在于元件布局的优化。散热器被设计为多面散热：顶面用于交流侧开关矩阵散热，底面用于直流侧整流开关和智能电容散热，正面则用于集成电感的变压器散热。结合变压器结构的进一步改进，最终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比
　　该演示设计采用了开环控制概念，这是 Daniel Goldmann 在攻读博士学位期间研发的。它仅需检测交流侧电压和直流侧电压，无需检测流经变压器的高频电流，从而显著降低了对检测的需求。此外，该方法为单级矩阵式双有源桥（Matrix DAB）设计了多种调制策略，确保在所有工作条件下都能实现软开关 —— 即使在需要与电网交换无功功率的情况下也不例外。
　　控制算法在一个包含处理器和 FPGA 的系统芯片（SoC）上运行。处理器负责完成电网同步和 DQ 坐标变换，并执行开环控制 —— 包括矩阵式双有源桥（Matrix DAB）的调制计算，以及与 FPGA 的接口通信。FPGA 负责换相控制，根据开环算法计算出的开关时序对 DAB 进行调制，并管理交流侧开关矩阵（采用多步换流，为原边电流提供续流路径）。
　　由于该演示设计本质上是一种隔离式 AC - DC 功率拓扑，除电动汽车之外，在其他应用领域也具有很大的潜力。例如，服务器电源、固态变压器等众多需要隔离式 AC - DC 变换的场合都可以使用这种拓扑。
　　安森美为满足 OBC 应用日益严苛的需求，推出了采用顶部散热 T2PAK 封装的全新 EliteSiC MOSFET。本演示设计在其功率级中采用了 650V T2PAK MOSFET，显著提升了热性能、增加了功率密度，并优化了开关特性。T2PAK 是一种专为满足汽车和工业高压（HV）应用严苛标准而设计的顶部散热封装，可实现与外部散热器或金属外壳的直接热接触，将热量高效导离主印刷电路板（PCB），从而大幅改善整体散热性能。
　　T2PAK 封装通过取消长引脚，相比 D2PAK 或 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性能：电压过冲更低，电磁兼容性（EMC）更好，使其成为 OBC 等紧凑型高性能电源应用的理想选择。此外，T2PAK 的爬电距离超过 5.6 mm，确保符合 IEC 60664 - 1 标准。
　　安森美推出的首批四款采用 T2PAK 封装的 EliteSiC MOSFET，依托先进的 M3S SiC 技术实现车规级性能。要实现系统峰值性能，需要在外露的漏极焊盘与散热器之间建立稳固的热界面。除了结到外壳的热阻（RθJC）之外，整体热性能还高度依赖于合理的导热叠层以及高导热性热界面材料（TIM）的选用。精确地应用热界面材料能确保一致的散热性能和长期可靠性。与底部散热封装相比，顶部散热器件在降低换流回路中的寄生电感方面也具有显著优势。这种设计使得 PCB 上的电气布线更加灵活，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，提升系统整体性能。