NE时代

2023年底，特斯拉正式交付Cybertruck。该车采用了诸多创新技术，矩阵式变换OBC便是其中之一。

矩阵式变换OBC是单级式OBC技术的一种。单级式OBC顾名思义是仅通过一次隔离变换即可实现交流/直流（AC-DC）。相比于目前广泛量产采用的双级式OBC（前级PFC整流+后级隔离DC/DC）而言，单级式OBC省去了中间的直流母线电容（电解电容），甚至是PFC电感，同时可以节省功率器件和MCU数量，在功率密度、效率都得以大幅提升的同时提供降本的可能。如今几乎所有6kW/L（OBC功率+DCDC功率/体积）的OBC产品均采用单级式。

典型的双级式OBC架构，图源：安森美

不过特斯拉的方案也有一定的局限性。受制于器件的约束，特斯拉Cybertruck是基于碳化硅器件实现矩阵式交换所需的双向导通。但由于碳化硅器件自身无法实现双向导通，就需要成对使用来搭建双向导通电路，所以导致其整体方案中器件用量增加，同步增加的还有控制的复杂性，所以目前几乎没有企业跟进碳化硅矩阵式交换的方案。

而氮化镓器件能够很好的解决双向导通的问题，因此当前矩阵式变换的方案都是采用双向氮化镓（BDS GaN）来实现，为了方便表述后续我们用BDS GaN单级式OBC统称这一方案。

BDS GaN 单级式OBC，图源：英飞凌

BDS GaN的应用虽然大幅简化了矩阵变换系统复杂度，但并非是单级式OBC的唯一解。目前展开式单级和交错图腾柱式单级方案同样可以实现。

01.

展开式单级和交错图腾柱式单级方案

展开式单级方案在架构上仍包含交流-直流（AC-DC）和直流-直流(DC-DC)的双级能量交换环节，但其在设计上摒弃了双级式隔离用大容量解耦电容，转而配置小型非电解电容进行高频纹波滤除，此举可以提高产品寿命，并且即使在北方寒冷地区也可放心应用。

从架构上来看，展开式单级也是BDS GaN拓扑的前置版本。目前国内该方案已经有量产案例，为后续大批量单级OBC对整车调整和量产经验做了很好的技术和量产铺垫。

展开式单级OBC方案，图源：ST

交错图腾柱式方案是由上下堆叠的两路半桥（高频）和一路低频桥臂（也可用二极管代替）组成。其中高频交错桥臂负责高频切变和功率因数校正，低频桥臂充当电子整流桥。和BDS GaN单级式OBC相比，器件可直接选用碳化硅，为了方便表述后续我们用碳化硅单级式OBC统称这一方案。

此前是为科技就推出该类型OBC产品，在使用碳化硅器件的情况下，功率密度达6.5kW/L，加权效率达96%以上。不过，该OBC产品采用的是英飞凌最新的半桥合封方案，HDPAK，而非单管类器件产品。

交错图腾柱单级式OBC，图源：英飞凌&是为科技

02.

成本对比，碳化硅单级式OBC最优

目前整个OBC行业成本压力极大，市场价格竞争非常激烈，已进入充分竞争阶段。但是随着上游供应链的涨价潮，也随着行业玩家的减少，产品的专业性和质量溢价已经成为OBC电源的核心竞争项。

在单级式OBC的方案中，BDS GaN方案器件用量最少，并且可以完全省掉直流母线电容和PFC电感。但相比于展开式单级和碳化硅单级OBC，其主要受限于BDS GaN方案进展，目前在器件成本层面，成本高于碳化硅器件。

更重要的是，当前能够稳定提供BDS GaN产品的器件企业相对较少，虽然当前英飞凌、英诺赛科、TI、纳微半导体等企业均宣称可以提供BDS GaN。但适用于车载充电机的成熟器件及对应的规格，目前已知BDS GaN只有英飞凌和英诺两家可以提供，并且由于行业发展较早，不同企业之间器件封装并未统一。如英飞凌推出的是QDPAK，ST推出的则是HU3PAK。两者在关键的高度指标上不一，因此在平台化替换上难度较大。当然，由于英飞凌在QDPAK产品上积累的市场份额优势，目前QDPAK接受度相对更高。

由于能够提供BDS GaN成熟器件的供应商较少，供应链较为单一，加上行业推广早期，供给相对有限，因此BDS GaN成本要高于成熟的碳化硅器件。这也是BDS GaN方案虽然结构简单，但当前系统成本高于碳化硅单级OBC的原因。

当然上下游也在积极协同推动氮化镓的发展。如联合电子、纳芯微、英诺赛科正在三方合作，开发集成驱动的氮化镓产品，推动行业发展。

因此综合来看，碳化硅单级OBC方案可以直接采用现有的成熟器件体系，包括驱动方案在内，也是综合成本最低的方案。

03.

BDS GaN单级式OBC铺开，或许还需两年

众所周知，由于单相交流电自身的物理特性决定，在交流电（AC）转直流电(DC)的过程中，直流侧存在频率两倍于交流侧的纹波电流，即100Hz。如不加以处理，100Hz的纹波电流会加速电池老化，甚至触发BMS电流保护。

但由于BDS GaN缺少直流母线电容，因此系统对电网侧浪涌的抵御能力被极度压缩，这时候就需要通过控制算法精准控制开关器件加以优化。这也是BDS GaN中最困难的部分。

这非常依赖OBC企业通过底层控制算法来解决。这也就意味着，如果此前OBC企业缺乏积累，很难达到量产要求。

此外，BDS GaN在车载高压领域还在应用探索阶段。和当初碳化硅替代硅级方案一样，同样需要重视器件自身特性对系统的影响。比较典型的如，

Vth（阈值电压）漂移风险： 双向 氮化镓的阈值电压典型值仅为极低的1.7V（传统Si MOSFET通常为2-4V）。极低的阈值意味着极易发生误导通，必须设计极高精度的驱动电路并预留充足的安全裕量，否则极易导致系统短路。

动态电阻（Dynamic Rdson）老化：常被称为 氮化镓器件的“阿喀琉斯之踵”。由于电子捕获效应（Current Collapse），器件在关断承受高压后再导通，电阻会瞬时飙升。实测数据显示，常规肖特基门极氮化镓的动态电阻变化率高达2.45倍！这意味着导通损耗、温升和击穿风险会随着工作时间不可控地加剧。

无雪崩能力：与Si/SiC不同，E-GaN几乎没有雪崩耐量。700V的器件在瞬态尖峰下必须严格限制在800V以内，且推荐降额幅度高60%~80%，对电压应力设计不友好。

衬底电位风险：双向工作需频繁切换衬底电源，增加了钳位电路失效的风险，稍有不慎就会引发耐压失效。

衰减风险：饱和电流随结温升高带来的衰减风险。

总结而言便是，BDS GaN在“真实开关应力下能否稳定双向”还需要进一步验证。正是因为以上挑战的存在，BDS GaN方案虽然在2026年底就可以看到上车应用，但真正大规模量产应用还需在量产稳定后，才会得到全面的接受。我们预计，这个时间或许需要1.5-2年的时间。

总结

从电路架构来看，BDS GaN凭借着简约的方案特点极有可能成为OBC最近几年的技术发展趋势。并且在此基础上可以持续进化，以不断提升OBC的性能，尤其是功率密度，缩小体积。

但值得重视的是，目前BDS GaN方案还处于早期开发阶段，迫切需要OBC企业以及功率器件企业共同努力，证明其工程可行性和量产稳定性，同时丰富供应链生态资源。对大规模量产而言，这个过程预计还需要2年的时间。

综合电力电子产品的技术路线升级的普遍规律，在激进的先进拓扑和可落地的工程化方案之间，一定会经过多轮的博弈和迭代。

碳化硅单级式方案虽然在绝对性能上要稍弱于BDS GaN单级式，但在成本和方案成熟度方面要优于BDS GaN。并且在功率器件升级的支持下，其性能也有所突破。典型如英飞凌HDPAK半桥封装方案助力是为科技实现6.5kW/L的功率密度，该指标已经能够与BDS GaN单级式OBC方案持平。

因此碳化硅单级式在BDS GaN方案尚未大规模量产之前，极有可能会成为当下行业共识的最优解。长期来看，随着器件产品的不断升级，也会在相当长的时间内与BDS GaN单级式OBC方案共存。