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（OBC）创新方案，采用单级矩阵式 AC-DC 拓扑，兼容全球三相 / 单相充电标准，可适配欧规与北美 NACS，减少多版本开发。方案大幅精简 PFC 电感、母线V EliteSiC MOSFET（T2PAK 顶部散热封装），功率密度从 1.1kW/L 提升至2.4kW/L，峰值效率达97.2%。通过开环控制 + FPGA+SoC实现全软开关与复杂调制，引入 “智能电容” 有源滤波优化输出纹波。整体方案具备高功率密度、高效率、低成本、高集成优势，可延伸至服务器电源、固态变压器等隔离 AC-DC 场景。
采用单级架构实现多标准电动汽车充电，重新定义面向全球电动汽车平台的 OBC 架构
本款 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 (onsemi) 的这一创新方案通过大幅度减少被动器件 (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，并引入多项实用改进。这中间还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 明显提升至 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%。
Daniel Goldmann - 安森美电源解决方案事业部首席应用工程师
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。
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需要我们来关注的拓扑提出，以分析未来 OBC 对半导体器件的要求。
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加高的要求。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。
我们提供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，同步供应此类功率器件本身。该单级矩阵 OBC 在所有工况下均可实现全软开关，意味着功率器件的开通损耗可忽略不计。因此，理想器件应具备快速、低损耗的关断特性及低导通电阻 (RDS (ON))。安森美的 EliteSiC MOSFET 正是理想之选，例如顶部散热封装的 23 mΩ、650 V 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 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。
该设计可分为两部分：第一部分是矩阵式 OBC，它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。所有功能集成于单一转换级，带来前述优势。然而，在单相供电时，矩阵 OBC 输出端会出现 100/120Hz 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。
6、该设计如何同时兼容北美和欧洲充电标准，避免为同一款车型开发两种不同 OBC?
本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。
7、针对电动汽车电池，OBC 在应对转换器输出电流纹波方面的主要设计的基本要求是什么？
目前市场对 OBC 的要求各不相同：有些要求输出纹波非常低，而另一些则相对宽松。然而，大量研究表明，在电池充电过程中，100/120Hz 的脉动功率流可能对电池造成损害。我们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带来的优势。
8、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。这种新型电容为何被称为 “智能” 解决方案？
因为 Bulk 电容通过半桥转换器连接。该设计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。
9、目前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是什么？
实现功率密度倍增的重点是元件布局优化。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，正面用于集成电感的变压器散热。结合变压器结构的进一步改善，最终实现更高功率密度。
这一开环控制概念是我在攻读博士期间研发的。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，明显降低对检测的需求。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)。
12、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，在其他应用领域是否有潜力？
是的。任何的需要隔离式 AC-DC 变换的场合都能够正常的使用这种拓扑。例如服务器电源、固态变压器等众多应用。
