在追求更高效率与更高功率密度的车载充电器(OBC)设计中,单级矩阵变换器成为行业近来的热潮,其定位并不是对传统两级架构的渐进优化,而是一条在器件与控制能力成熟后才具备工程可行性的结构性替代路径。方案价值核心不在“少一级”,而在于是否能在取消直流母线的前提下,仍然稳定地同时满足单位功率因数、隔离充电与高效率运行。
以下基于 Texas Instruments 发布的 一份设计应用指南 Power Tips #149(作者Sean Xu)解析,一起来深入探讨下技术细节。
车载充电器(Onboard Charger, OBC)负责在电网与纯电动汽车(EV)或混合动力电动汽车(HEV)之间进行能量转换。传统车载充电系统通常采用两级功率变换架构:前级为升压变换器,用于实现单位功率因数;后级为隔离型 DC/DC 变换器,用于在具备电气隔离的前提下为电池充电。显而易见,这种两级结构需要额外的功率器件与无源元件,不仅降低系统功率密度,也推高了整体成本。
矩阵变换器(Matrix Converter)采用单级功率变换架构,无需升压电感和体积庞大的电解电容。当进一步引入双向氮化镓(GaN)功率开关时,可显著减少器件数量,并进一步提升功率密度。
如图 1 所示,两级功率变换器需要配置升压电感(LB)和直流母线电解电容(CB),同时在图腾柱功率因数校正(Totem-Pole PFC)结构中需要四个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。

图 1 采用 LB、CB 及四个 MOSFET 实现图腾柱 PFC 的两级功率变换器示意图,来源:Texas Instruments
相比之下,如图 2 所示,单级矩阵变换器既不需要升压电感,也不需要直流母线电容,但必须采用双向开关(S11 和 S12)。双向开关通常通过将两个独立 MOSFET 以共漏极或共源极方式连接来实现。若在矩阵变换器中采用双向 GaN 器件,则可进一步减少开关数量。表 1 给出了两类变换器的对比。

图 2 单级矩阵变换器示意图,无需 LB 和 CB,但需要两个双向开关 S11 与 S12,来源:Texas Instruments
表 1 两级 AC/DC 变换器与单级矩阵变换器对比
来源:Texas Instruments
目前在电动汽车车载充电器中主要采用三类矩阵变换器拓扑。
图 3 所示为电感-电感-电容(LLC)拓扑。LLC 变换器通过调制开关频率来实现电流或电压调节,其中 Lr 与 Cr 构成谐振腔,用于塑造谐振电流波形。通过选择合适的控制算法,可实现单位功率因数运行。
在三相交流输入条件下,原边电压纹波相比单相输入显著降低,因此 LLC 拓扑更适用于三相应用。LLC 变换器可在较高开关频率下工作,并可实现比其他拓扑更宽范围的零电压开通(ZVS)。

图 3 基于 LLC 的三相输入矩阵变换器,来源:Texas Instruments
图 4 展示了基于双有源桥(DAB, Dual Active Bridge)的矩阵变换器拓扑。DAB 拓扑既适用于三相交流输入,也可用于单相交流输入。通过对电感电流进行控制,可天然实现单位功率因数。
控制算法的目标在于:
为实现上述目标,需要采用三重移相(TPS, Triple Phase Shift)控制策略,包括:
此外,通过调制开关频率,还可进一步拓展 ZVS 工作范围。

图 4 基于 DAB 的单相输入矩阵变换器,来源:Texas Instruments
图 5 所示为串联谐振(SR, Series Resonant)矩阵变换器。由 Lr 与 Cr 构成的谐振腔用于塑造变压器电流波形,从而降低关断电流与关断损耗。同时,系统无功功率得以降低,导通损耗与开关损耗也随之减少。
与 LLC 拓扑相比,SR 矩阵变换器的开关频率为固定值,但通常高于其谐振频率。

图 5 基于 SR 的单相输入矩阵变换器,来源:Texas Instruments
在采用 LLC 拓扑、三相交流输入的车载充电器中,通常通过开关频率调制来调节充电电流或电压,并基于电网极性采用空间矢量控制。施加于谐振腔上的电压纹波较小,而谐振腔参数决定了增益变化特性,并对变换器运行状态产生重要影响。
基于 DAB 或 SR-DAB 的车载充电器通常采用三重移相(TPS)控制策略,可天然实现单位功率因数、宽 ZVS 工作范围以及较低 RMS 电流。进一步优化开关频率还能同时降低导通损耗与开关损耗。
图 6 给出了单级矩阵变换器在半个交流周期内(例如 Vac > 0)采用 TPS 控制时的脉宽调制(PWM)波形。图中 PWM 信号与功率开关的对应关系如图 4 所示:

图 6 单级矩阵变换器在半个交流周期内的 TPS PWM 波形,来源:Texas Instruments
无论采用何种拓扑结构,矩阵变换器均需要双向开关。这些双向开关通常由两个 GaN 或碳化硅(SiC)器件以共漏极或共源极方式连接而成。近年来,双向 GaN 器件逐渐成熟,其在单一器件内部集成两个共漏极 GaN 晶体管,可实现真正的双向控制。
矩阵变换器通过单级功率变换即可同时实现单位功率因数和 DC/DC 能量变换,在车载充电器应用中具备两大核心优势:
当然,单级矩阵变换器在拓展至更多应用场景之前仍面临若干挑战。例如,较大的纹波电流可能不适合对充电纹波要求严格的电池系统;同时,由于缺乏直流母线电容,矩阵变换器对浪涌工况更为敏感。总体而言,随着宽禁带功率器件与先进控制算法的持续发展,矩阵变换器正逐渐获得更广泛的关注与应用。
从工程实践出发,单级矩阵变换器并不是一个「无脑更香」的解决方案,而是一道典型的系统级取舍题:
对很多车厂和 Tier-1 来说,OBC 不再只是一个「把电从 A 点搬到 B 点」的部件,而是牵一发而动全身的系统节点:它和高压配电、整车热管理、整车能效目标、快充策略乃至商业卖点,都纠缠在一起。矩阵变换器是否值得上车,往往取决于整个系统的边界条件:
如果把时间轴拉长一点看,矩阵变换器 + 宽禁带器件的组合,很像当年图腾柱 PFC 初登场时的处境:
从技术趋势上看,有几件事值得工程师现在就放在脑子里:
站在「三代半食堂」的视角看,矩阵变换器更像是一道逐步被端上桌的「硬菜」:
短期内,矩阵变换器未必会一夜之间取代所有两级 OBC,但随着 GaN / SiC 成熟度的提升,以及车厂对快充体验与整车能效的持续追求,这道「硬菜」大概率会从样板间走向更多量产平台。
对于正在做 OBC 或准备切入这一赛道的工程师来说,现在就开始熟悉单级矩阵的拓扑演进、控制思路与器件生态,至少不会是一个错误的选择。
