利用单级矩阵变换器提升电动汽车充电器效率与功率密度

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。

两级功率变换器与单级矩阵变换器的对比

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

单级矩阵变换器的拓扑结构

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。

拓扑一：LLC 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

拓扑二：DAB 拓扑

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：

• • 实现尽可能宽的 ZVS 范围，以降低开关损耗；
• • 降低电流均方根值（RMS），以减少导通损耗；
• • 实现较低的电流总谐波失真（THD）并保持单位功率因数。

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：

• • 原边内部移相；
• • 副边内部移相；
• • 原副边之间的外部移相。

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

拓扑三：SR 拓扑

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

单级矩阵变换器的控制算法

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：

• • d1 表示 PWM1A 与 PWM4A 之间的内部移相；
• • d2 表示 PWM5A 与 PWM6A 之间的内部移相；
• • d3 表示 d1 与 d2 中点之间的外部移相；
• • PWM1B 与 PWM4B 用于驱动第二组双向开关。

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。

矩阵变换器的优势与挑战

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：

1. 1. 高功率密度：采用单级架构，消除了体积庞大的升压电感与直流母线电解电容。
2. 2. 高转换效率：减少了开关损耗与导通损耗，同时仅需一次功率变换。

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。

工程师视角下的「取舍题」

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：

• • 你用更复杂的控制算法，换来了磁性器件和电解电容的大幅精简；
• • 你接受输入/输出纹波、电磁干扰设计的额外难度，换来了更高的功率密度和整机效率；
• • 你在器件端押注双向 GaN / SiC，用更高的单颗成本和驱动设计门槛，去换整机 BOM 与体积、重量的下降。

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：

• • 整车快充目标是多少？是 400 V 路线还是直接上 800 V？
• • OBC 预留的体积、重量、成本窗口有多大？
• • 供应链端是否有成熟的双向 GaN / SiC 器件和驱动方案？
• • 研发团队是否有足够的数字控制与算法积累，能把 TPS、空间矢量这些「纸面优势」变成硬件上可量产的波形？

GaN + 单级架构，会不会成为下一代 OBC 标配？

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：

• • 一开始只在少数旗舰平台或高端细分市场试水；
• • 随着器件成本下降、应用笔记和参考设计成熟，慢慢向更多车系下放；
• • 最终在一定功率段、一定架构下，变成「新一代默认选项」。

从技术趋势上看，有几件事值得工程师现在就放在脑子里：

1. 1. 功率密度的「天花板」在被抬高  —— 取消升压电感和大电解电容，再叠加高频化磁性器件设计，OBC 的 W/L、W/kg 目标会被一轮一轮往上推。
2. 2. 控制与算法的重要性在放大 —— 过去你可以把很多问题交给「粗犷的硬件冗余」解决，如今单级架构、TPS、频率调制、空间矢量控制这些「软功夫」会直接决定效率曲线和车规可靠性。
3. 3. 器件选择不再只是「耐压电流 + 价格」 —— 双向 GaN、SiC 的封装寄生参数、驱动版图、共模噪声路径，都会对 EMI 和波形质量产生一票否决的影响。

写在最后：给一线工程师的几条观察

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」：

• • 对想要卷指标的团队，它提供了一条清晰的上升通道：在同样的壳体里塞进更高的功率、更好的效率曲线；
• • 对还停留在传统两级架构的团队，它至少值得被纳入下一代平台的方案池，作为对标和预研对象；
• • 对做器件和控制芯片的厂商，这是一个能把自家「双向能力」「高频能力」讲清楚、讲具体的绝佳舞台。

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。