[前瞻洞察] 從逆變器到OBC/DCDC，多合一電驅電源如何從機械集成，走向功能集成？

這篇我們聚焦于：多合一電驅電源系統。

先說結論：3-in-1集成電驅電源的難點，不是包裝工程，而是功能復用工程。逆變器要負責驅動，OBC要負責交流充電，輔助DC/DC要給低壓系統供電；如果只是把三套硬件放進同一個盒子，成本、體積和熱并不會真正下降。

這篇文章我們把集成目標拆成可驗證的鏈條：

• 首先，系統級仿真先決定拓撲和器件；

• 然后，用三端口CLLC承接充電和低壓DC/DC；

• 最后，把電路、軟件、機械封裝、熱管理、預充電、主動放電和電流傳感器一起納入系統集成。

從項目定位看，它關注的不是單個功率模塊指標，而是整車電驅電源系統能不能少占空間、少用零件、減少接口，同時保持800V平臺下的充電、驅動和輔助供電能力。

圖片來源：Ricardo LLC | IOD與Interface Box機械概念：主功率單元和整車接口關系

一、3-in-1真正要省的不是殼體，而是功率鏈路和系統接口

首先說明下這套方案的核心目標：250kW inverter、19.2kW on-board charger、3kW DC/DC converter，組合體積小于25L。

這個目標背后有兩個壓力：

• 一是整車電驅總成成本、質量和體積繼續下降；

• 二是用戶對V2X、快充、兼容性和功能集成的要求在增加。

真正的集成收益來自共用和重構：

• 牽引逆變器，在行駛時驅動電機，在充電場景中部分功率級可以承擔PFC功能；

• CLLC，既要支持隔離AC充電，也要承擔LV電池充電和HVDC預充電；

• 單控制器要同時管理inverter、charger和DC/DC。

圖片來源：Ricardo LLC / DOE AMR 2025 | 3-in-1系統架構：共享功率鏈路、單MCU集成和多功能模式切換

二、器件分工很清楚：SiC管高壓大功率，GaN管低壓高頻密度

首先要通過系統級仿真判斷不同工作模式下的功率器件、熱模型和組件需求。

Richardo選擇SiC power module用于inverter/PFC，SiC discrete MOSFET用于CLLC橋臂，GaN HEMT用于低壓DC/DC。|SysPro備注：這不里是按電壓、電流、頻率和封裝密度做分工。

圖片來源：Ricardo LLC | 系統級PLECS仿真與器件分工：SiC模塊、SiC離散器件和GaN低壓DCDC

器件選擇背后，其實是不同功率級的損耗、熱和封裝邊界不同：

• 對逆變/PFC級來說，SiC模塊支撐高壓大功率和汽車級可靠性；

• 對CLLC來說，SiC離散器件配合諧振變換和隔離磁件；

• 對低壓DC/DC來說，GaN HEMT更適合用高頻換取體積。

此外，報告還強調了供應商集成功能：例如，帶集成電流傳感器的Semikron-Danfoss功率模塊，以及用功率模塊實現DC-link主動放電、減少獨立電阻放電電路。這些細節說明，3-in-1集成不僅靠主拓撲，也靠外圍功能從外置器件轉向模塊內部。

三、三端口CLLC是集成核心：AC充電、低壓電池和HV預充電都要通過它閉環

這套方案里最關鍵的電路，是3-port CLLC converter：它同時承擔隔離AC charging、LV DC/DC conversion，以及利用LV battery進行HVDC pre-charging。一個磁件和諧振網絡要覆蓋多種功率流，這正是3-in-1架構能否成立的核心。

CLLC tank設計的難點在寬工作范圍：PFC輸出DC-link會跟隨HV battery變化，1相7kW和線電壓22kW的工作頻率窗口不同，同時還要考慮5% PFC電壓紋波。Lm和Lr的選擇目標，是在整個工作范圍內保持ZVS，而不是只在標稱點效率好看。

圖片來源：Ricardo LLC  | CLLC tank設計：變量DC-link、7kW/22kW工作窗口和ZVS約束

變壓器設計進一步把問題推向磁件集成。材料采用兩只變壓器，集成HV-HV和HV-LV繞組，使用COTS ferrite core，并通過Ansys Maxwell做3D有限元分析。磁件不再只是被動元件，而是決定19.2kW充電和3kW低壓供電能否共存的空間核心。

圖片來源：Ricardo LLC | CLLC變壓器設計：HV-HV與HV-LV繞組集成、COTS磁芯和3D FEA

在原型測試中，變壓器通過開路和短路配置評估core loss和Cu loss，SiC full bridge測試下full-bridge loss約31.61W，估算core loss小于30W，并以core temperature小于105攝氏度為設計要求。這些數據說明，集成磁件必須用熱和損耗結果來閉環。

圖片來源：Ricardo LLC  | CLLC變壓器損耗估算與熱測試：core loss、Cu loss和溫升驗證

四、單控制器和51個電路：集成越高，控制和保護越不能碎片化

這套系統里一共開發了51個電路，包括power management、switch control、control、sensor、protection/EMI等。

圖片來源：Ricardo LLC | 51個電氣電路：電源管理、開關控制、傳感、保護和EMI共同支撐集成系統

軟件層面，inverter、charger、DC/DC控制功能被集成到單一控制器里，并面向HIL和后續整車測試開發base software與application software。

AUTOSAR、多核實現、模塊化框架和可擴展功能，都是為了避免三套功能各自為政。

圖片來源：Ricardo LLC  | 軟件架構：單控制器集成逆變器、充電機和DCDC多功能控制

控制難點會在邊界工況集中暴露。例如HVDC過壓檢測、resolver信號、溫度測量、預充電、主動放電和EVSE兼容性，都必須和主功率控制協調。集成度越高，功能切換和故障處理越不能靠臨時邏輯拼接。

圖片來源：Ricardo LLC | 電路仿真示例：resolver信號與HVDC過壓檢測窗口

五、機械熱設計決定落地邊界：IOD和Interface Box必須一起考慮

機械設計把系統拆成IOD和Interface Box：

• IOD承擔inverter、OBC、DC/DC主功率電路；

• Interface Box則處理整車高低壓接口、接觸器、連接器和配置關系。

這里提到兩種IB路徑：一種基于COTS組件用于演示，另一種面向未來理想組件配置。

圖片來源：Ricardo LLC  | IOD與Interface Box機械概念：主功率單元和整車接口關系

熱設計也被分成mobility和charging兩類使用場景：行駛時逆變器持續發熱，充電時OBC/CLLC承擔主要熱負載。1D方法用于比較冷卻策略、識別驅動熱性能的關鍵設計特征，為后續詳細3D熱設計提供邊界。

圖片來源：Ricardo LLC | 熱管理評估：mobility和charging場景下的冷卻策略與敏感性分析

六、預充電、主動放電和電流傳感器：真正省空間的是外圍功能內聚

HV bus pre-charging是一個容易被忽略但很關鍵的功能。

這里利用LV battery通過CLLC給多個HVDC bus預充電，最大預充時間目標約500ms，并且強調閉環控制、容量電壓反饋和限流。它說明3-in-1不只是運行模式復用，也包括啟動和安全流程復用。

圖片來源：Ricardo LLC | HV母線預充電：利用LV電池經CLLC預充PFC和HV DC-link電容

DC-link主動放電則利用功率模塊實現，目標是在400/800V系統里小于2s完成放電，并通過低占空比脈沖被動限制電流。這種做法可以減少獨立放電電阻和相關布置空間，也是功能集成帶來的外圍簡化。

集成電流傳感器同樣指向封裝簡化。與外置LEM傳感器相比，嵌入Semikron-Danfoss DCM1000X SiC功率模塊的電流傳感器在量程、帶寬、靈敏度上等效，但能顯著降低封裝尺寸和母排復雜度。

圖片來源：Ricardo LLC | 集成電流傳感器：降低封裝尺寸和母排復雜度

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