ONSEMI 11kW三相OBC技术解析

原创于 2025-11-04 10:04:54 发布 · 915 阅读

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#OBC #三相PFC #LLC谐振 #维也纳整流器 #SiC MOSFET #电动汽车 #车载充电

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ONSEMI 三相11 kW PFC + LLC电动汽车车载充电（OBC）平台技术解析

在高端电动乘用车和轻型商用车的开发中，如何实现高效、快速且稳定的交流充电，已成为整车动力系统设计的关键挑战。随着400 V向800 V高压平台演进，以及用户对“补能时间”的敏感度提升，传统单相3.3 kW OBC已难以满足需求。在此背景下， 三相11 kW OBC 正逐步成为中高端车型的标准配置——而安森美（onsemi）推出的集成化PFC + LLC平台，正是这一趋势下的代表性解决方案。

该平台采用 维也纳整流器（Vienna Rectifier）+ LLC谐振变换器 的两级架构，结合碳化硅（SiC）功率器件与数字控制技术，在效率、功率密度、EMI性能和系统可靠性之间实现了出色的平衡。本文将深入剖析其核心模块的工作机制、协同逻辑与工程实现要点，帮助开发者理解这一高阶OBC系统的底层设计哲学。

维也纳整流器：为何是11 kW三相PFC的理想选择？

面对三相PFC拓扑的选择，工程师常需在成本、效率、EMI和控制复杂度之间权衡。常见的方案包括两电平Boost、T型三电平、ANPC以及维也纳整流器。而在3–15 kW功率区间，尤其是车载空间受限的应用中， 维也纳整流器因其简洁结构与优异综合性能脱颖而出 。

它仅使用三个双向开关单元（每相一个半桥），配合六个二极管和两个串联输出电容，即可构建完整的三电平升压整流电路。这种拓扑最早由维也纳工业大学提出，也因此得名。其本质是一种基于中点钳位的PWM整流结构，能够在不增加主动器件数量的前提下，实现输入电流正弦化与单位功率因数校正。

以A相为例，其工作过程可简化为两种状态：
- 当上管导通时，电流路径为：电网 → 输入电感 → 上管 → 母线中点，此时电感储能；
- 当下管导通时，电流经电感 → 二极管 → 上母线电容释放能量并升压。

通过精确控制每个桥臂的占空比，并结合锁相环（PLL）实时跟踪电网相位，控制器可以合成出近似正弦的输入电流波形，THDi可控制在5%以内，完全满足IEC 61000-3-2等严苛电磁兼容标准。

更关键的是，维也纳整流器天然具备 三电平输出特性 ：直流母线被分为+Vdc/2 和 -Vdc/2两个电平，使得每个开关器件所承受的最大电压仅为总母线电压的一半。对于典型400 V中间母线而言，这意味着MOSFET只需耐受200 V左右的电压应力——这恰好匹配650 V SiC MOSFET的最佳工作区间，显著提升了系统效率与可靠性。

此外，由于没有高频切换路径直接连接到地，共模噪声路径被有效抑制，因此其EMI表现优于传统的两电平或T型PFC拓扑。这一点在车载环境中尤为重要，因为OBC必须与其他敏感电子系统共存，不能干扰CAN通信、BMS信号或传感器读取。

当然，维也纳也有其挑战。最突出的问题是 中点电位失衡 ——若两路输出电容电压不一致，会导致电压应力分布不均，甚至引发过压保护。解决方法通常有两种：
1. 在控制算法中注入可控的零序电流分量，动态调节中点电流；
2. 使用滞环控制策略监测两电容电压差，主动调整调制波偏置。

另一个需要注意的现象是 过零畸变 ：在输入电流接近零点时，由于二极管反向恢复特性和死区效应，容易出现电流波形畸变。为此，现代数字控制器往往会引入非线性补偿算法，提前预测并修正参考电流指令。

从代码实现角度看，主流做法是采用双闭环矢量控制策略，运行于同步旋转坐标系（dq坐标系）。以下是一个典型的TI C2000系列DSP上的PFC控制伪代码示例：

// 示例：TI C2000系列DSP上的PFC电流环控制伪代码
void PFC_Current_Control(void) {
    // 采样三相输入电流（ADC）
    Ia = ADC_read(Channel_Ia);
    Ib = ADC_read(Channel_Ib);
    Ic = ADC_read(Channel_Ic);

    // Clark变换：ABC → αβ
    I_alpha = Ia;
    I_beta = (Ia + 2*Ib) * INV_SQRT3;

    // Park变换：αβ → dq（基于锁相环PLL获取θ）
    I_d = I_alpha * cos(theta) + I_beta * sin(theta);
    I_q = -I_alpha * sin(theta) + I_beta * cos(theta);

    // dq轴PI调节，设定Id_ref为目标电流幅值，Iq_ref=0（单位PF）
    Vd_err = Id_ref - I_d;
    Vq_err = 0 - I_q;

    Vd_out = PI_Controller(&PI_Id, Vd_err);
    Vq_out = PI_Controller(&PI_Iq, Vq_err);

    // 反Park变换得到αβ轴电压指令
    V_alpha_ref = Vd_out * cos(theta) - Vq_out * sin(theta);
    V_beta_ref = Vd_out * sin(theta) + Vq_out * cos(theta);

    // SVPWM生成占空比信号
    SVM_Generate(V_alpha_ref, V_beta_ref, &Ta, &Tb, &Tc);

    // 输出PWM到三组半桥驱动器
    EPWM_setDuty(Ta, Tb, Tc);
}

这段代码完整实现了从电流采样、坐标变换、PI调节到空间矢量调制（SVM）的全流程。其中，d轴控制有功功率（即输入电流幅值），q轴强制为零以实现单位功率因数。最终生成的三相PWM信号驱动三个半桥单元，完成闭环控制。

值得注意的是， 推荐搭配SiC MOSFET使用 。例如onsemi的NVBG015N060SC1（650 V, 60 mΩ），其超低反向恢复电荷和快速开关能力，能够显著降低开关损耗，尤其在高频CCM模式下优势明显。相比之下，硅基IGBT或超结MOSFET在高频运行时温升更高，限制了整体效率提升空间。

LLC谐振变换器：软开关带来的效率飞跃

当PFC级将三相交流整流并升压至约400 V直流后，下一步便是将其安全、高效地降压并隔离输送给动力电池。在这个环节，LLC谐振变换器几乎是当前OBC领域的“黄金标准”。

它的基本结构包含一个励磁电感 $L_m$、谐振电感 $L_r$ 和谐振电容 $C_r$，构成LC谐振网络，再通过高频变压器实现电气隔离。整个系统通常采用全桥或半桥H桥作为初级激励源，次级则使用中心抽头整流或全波同步整流。

LLC的核心优势在于其 天然支持软开关 。具体来说：
- 初级侧MOSFET可在全负载范围内实现 零电压开通（ZVS） ，大幅降低开关损耗；
- 次级整流二极管或同步MOSFET可实现 零电流关断（ZCS） ，消除反向恢复问题。

这是因为它工作在 变频控制模式 下——通过调节开关频率 $f_s$ 来改变增益，从而稳定输出电压。其增益特性由归一化频率 $f_n = f_s / f_r$ 决定，其中谐振频率 $f_r = \frac{1}{2\pi\sqrt{L_r C_r}}$。

典型工作区域如下：
- $f_s > f_r$：降压模式，ZVS成立；
- $f_s = f_r$：最大增益点，效率最高；
- $f_s < f_r$：进入容性区，ZVS失效，应严格避免。

因此，控制系统必须确保LLC始终运行在感性区域（inductive region），否则可能引发电压尖峰、EMI恶化甚至器件损坏。

实际应用中，LLC的控制逻辑相对简单但极为关键。以下是一段典型的频率调节代码片段：

// LLC频率调节函数（基于输出电压反馈）
float LLC_AdjustFrequency(float Vout_measured, float Vout_ref) {
    float error = Vout_ref - Vout_measured;
    float delta_f = PID_Controller(&pid_freq, error);  // PID调节器

    float fs_new = FREQ_NOMINAL - delta_f;  // 增益随频率下降而上升

    // 限制最小/最大频率（防止进入容性区）
    if (fs_new > FREQ_MAX) fs_new = FREQ_MAX;
    if (fs_new < FREQ_MIN) fs_new = FREQ_MIN;

    return fs_new;
}

// 主循环中更新PWM频率
void LLC_Control_Task(void) {
    float Vout = ADC_Read_Vout();
    float new_freq = LLC_AdjustFrequency(Vout, V_target);

    PWM_Set_Frequency(new_freq);  // 动态调整H桥开关频率
}

该逻辑通过PID调节输出电压误差，动态调整开关频率以维持稳压。关键是设置合理的FREQ_MIN和FREQ_MAX边界，确保即使在最低输入电压和最重负载条件下也不会滑入容性区。

除了效率高（典型值95%~97%），LLC还具有良好的EMI表现——因其谐振电流接近正弦波，di/dt较低，传导噪声远小于硬开关拓扑。同时，谐振电感与变压器可集成在同一磁芯上，进一步减小体积，提高功率密度。

但在设计时仍需注意几个陷阱：
- 变压器漏感必须精确匹配 $L_r$，否则会影响谐振频率和增益曲线；
- 启动阶段需采用“扫频”或“软启动”机制，防止初始浪涌电流冲击；
- 次级建议使用GaAs肖特基二极管或同步整流MOSFET，进一步降低导通损耗；
- 必须进行详细的增益曲线建模，覆盖全输入电压范围（如350–450 V）和负载变化（10%–100%）。

系统集成与应用场景：不只是充电，更是能源枢纽

onsemi的11 kW OBC平台并非孤立模块，而是高度集成的系统级解决方案。其典型架构如下：

[三相AC输入] 
    ↓
[EMI滤波器]
    ↓
[Vienna PFC整流器] → Boost升压至 ~400 V DC（中间母线）
    ↓
[DC-link电容]
    ↓
[LLC谐振DC/DC变换器] → 隔离降压至 ~200 V DC（可调）
    ↓
[输出滤波 + 电流检测]
    ↓
[动力电池包（400 V 或 800 V 平台）]

整个系统由双核MCU（如NXP S32K3 或 Infineon AURIX）或专用数字电源控制器（如TI UCD3138）统一调度。工作流程包括：
1. 上电自检与预充电，防止冲击电流损坏PFC电容；
2. PLL同步电网相位，启动Vienna PFC进入单位功率因数运行；
3. 中间母线电压稳定后，开启LLC级，开始恒流/恒压充电；
4. 实时监控温度、电压、电流，执行保护动作（过压、过流、过热）；
5. 通过CAN FD与BMS通信，上报状态并接收充电策略。

这套架构不仅解决了传统OBC的痛点，还展现出强大的扩展潜力：

应用痛点	技术解决方案
充电慢	三相11 kW大幅缩短交流充电时间（相比3.3 kW快3倍以上）
电网污染	Vienna PFC实现THDi < 5%，满足严苛EMC法规
散热困难	SiC器件+软开关降低损耗，允许自然冷却或风冷设计
安全隔离	LLC提供加强绝缘，满足功能安全ISO 26262 ASIL-B要求
多种电池兼容	LLC宽增益调节支持400 V/800 V平台共用同一OBC

更重要的是，该平台具备向 双向化 演进的基础。通过将Vienna整流器升级为四象限运行结构，即可支持V2G（Vehicle-to-Grid）功能，让电动车成为移动储能单元，在电价低谷时充电、高峰时回馈电网，创造额外经济价值。