適用于高功率密度車載充電器的緊湊型SiC模塊
引言
要實現(xiàn)零碳社會的目標(biāo)，交通工具的電動化至關(guān)重要。更輕、更高效的電子元器件在這一進(jìn)程中發(fā)揮著重要作用。車載充電器（OBC）便是其中一例。緊湊型傳遞模塑功率模塊如何滿足當(dāng)前車載充電器（OBC）的需求？
正文
電動交通領(lǐng)域的發(fā)展日新月異：為提高車輛的自主性和續(xù)航里程，電驅(qū)動力總成系統(tǒng)變得越來越高效和緊湊。車載充電器（OBC）作為這一發(fā)展進(jìn)程中的關(guān)鍵組成部分，必須在保持高效效率的同時，盡可能小型輕量化。這一技術(shù)挑戰(zhàn)還必須確保成本控制在限定范圍內(nèi)。
OBC用于交流充電，需要由電網(wǎng)（充電樁）提供單相或三相電壓。單相充電功率范圍為3.6kW~7.5kW，而三相充電功率則支持11kW~22kW。目前，為兼顧成本和效率，市場上的主流OBC產(chǎn)品以中等功率范圍（11kW）為主。22kW的OBC則主要用于高端市場。然而，所有OBC必須支持單相充電，以便在功率受限的情況下仍可為車輛充電。為實現(xiàn)車輛到電網(wǎng)（V2G）和車輛到車輛（V2V）的充電解決方案，越來越需要OBC具備雙向充電功能。
迄今為止，傳統(tǒng)OBC的設(shè)計主要采用市場上的標(biāo)準(zhǔn)分立器件（THD或SMD封裝）進(jìn)行。尤其對于SMD器件而言，由于需要通過PCB散熱或使用合適的熱界面材料將每個獨立封裝精密地固定在散熱器上進(jìn)行散熱，因此存在諸多挑戰(zhàn)。這種方案在功率密度提升和系統(tǒng)緊湊性方面已接近極限，而功率模塊在新一代產(chǎn)品中則展現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢。
圖1：OBC的模塊化（頂部）架構(gòu)和集中式（底部）架構(gòu)
架構(gòu)與拓?fù)?/strong>
OBC架構(gòu)主要有兩種（圖1）：一種是基于三個相同單相模塊的模塊化架構(gòu)；另一種是基于一個三相AC/DC轉(zhuǎn)換器（該轉(zhuǎn)換器也支持單相運行）的集中式架構(gòu)。這兩種架構(gòu)均可通過單向和雙向拓?fù)鋵崿F(xiàn)。
模塊化架構(gòu)需要更多元器件，從而導(dǎo)致直流鏈路整體上對儲能容量要求提高，進(jìn)而推高體積和成本。另外，模塊化架構(gòu)還需要額外配置柵極驅(qū)動器和電壓、電流檢測功能。相比之下，集中式架構(gòu)所需的元器件更少，因此可實現(xiàn)更具成本效益的OBC，這使其已成為高功率密度OBC的首選架構(gòu)。
SiC模塊可實現(xiàn)更高效率和功率密度
SiC憑借其卓越的特性，成為非常適用于OBC的功率半導(dǎo)體材料。ROHM的第4代SiC MOSFET采用溝槽結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了超低導(dǎo)通電阻。另外，其非常低的米勒電容可實現(xiàn)超快的開關(guān)速度，從而可降低開關(guān)損耗。這些特性使得其總損耗更低，進(jìn)而可減少散熱設(shè)計負(fù)擔(dān)。
ROHM已推出專為OBC應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化的新產(chǎn)品——HSDIP20模塊，進(jìn)一步擴(kuò)展了EcoSiC?系列的SiC MOSFET產(chǎn)品陣容。該系列模塊在全橋電路中集成了4個或6個SiC MOSFET，與采用相同芯片技術(shù)的分立器件相比具有諸多優(yōu)勢。
該系列模塊采用氮化鋁（AlN）陶瓷將散熱焊盤與MOSFET的漏極隔離。這使得其結(jié)殼熱阻（Rth）非常低，從而無需使用熱界面材料（TIM）對散熱焊盤與散熱器之間進(jìn)行電氣隔離。
得益于模具材料的應(yīng)用，功率模塊中的各芯片之間實現(xiàn)了電氣隔離。這意味著芯片可以比分立器件方案布置得更加緊密（在分立器件方案中則必須考慮PCB上的爬電距離）。這種設(shè)計減小了PCB占用面積，同時提升了OBC解決方案的功率密度。
工作量更少，風(fēng)險更低
除了技術(shù)優(yōu)勢外，內(nèi)部隔離功能還可大大簡化開發(fā)人員的工作：模塊內(nèi)部已內(nèi)置電氣隔離功能。而對于采用分立器件的解決方案，則需要在外部處理隔離問題。模塊在交付前已由ROHM進(jìn)行了相關(guān)測試，因此在OBC開發(fā)階段無需再進(jìn)行額外的電氣隔離測試?？梢姡撓盗心K不僅可縮短開發(fā)周期并降低開發(fā)成本，同時還能降低出現(xiàn)絕緣問題的風(fēng)險。
圖2：在800V直流鏈路電壓下，HSDIP模塊在不同溫度下的開通和關(guān)斷損耗
HSDIP20模塊還具有第4代SiC MOSFET帶來的附加優(yōu)勢：其0V關(guān)斷電壓可降低PCB布局的復(fù)雜性和成本。如圖2所示，在800V直流鏈路電壓下，采用第4代SiC MOSFET的HSDIP模塊在不同溫度條件下均表現(xiàn)出較低的開關(guān)損耗。
圖3：基于第4代SiC MOSFET的HSDIP20功率模塊產(chǎn)品陣容
HSDIP20模塊的另一個優(yōu)勢在于其可擴(kuò)展性。ROHM提供豐富的RDS(on)規(guī)格和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇，使該系列模塊可適用于不同功率范圍的OBC應(yīng)用。目前可提供六款4合1拓?fù)淠K和六款6合1拓?fù)淠K。另外，ROHM還推出一款采用Six-pack拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的“混合型”模塊，該模塊通過組合不同RDS(on)的MOSFET，為圖騰柱PFC電路提供低成本解決方案，并可使用同一器件輕松實現(xiàn)單相和三相運行。各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的模塊均采用相同封裝形式，應(yīng)用擴(kuò)展非常便捷。所有功率模塊均符合AQG324標(biāo)準(zhǔn)。
熱特性與開關(guān)特性
為了驗證HSDIP模塊的優(yōu)勢，研發(fā)人員對器件進(jìn)行了特性仿真和測試。在模塊的熱性能演示中，采用的是配備36mΩ、1200V SiC MOSFET的Six-pack模塊。仿真基于安裝在液冷板上的單個模塊進(jìn)行，設(shè)定條件為單芯片損耗在25W至35W之間，Ta=Tw=60°C，TIM厚度為20μm，熱導(dǎo)率為4.1W/mK。通過同時給芯片施加功率進(jìn)行仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果繪制出各器件的耗散功率與結(jié)溫之間的關(guān)系曲線圖（圖4）。
圖4：HSDIP模塊熱性能仿真結(jié)果
通過優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)，該系列功率模塊實現(xiàn)了非常低的單芯片熱阻，在熱性能方面具有顯著優(yōu)勢。其最高結(jié)溫遠(yuǎn)低于SiC MOSFET允許的175°C限值，從而為提升功率密度創(chuàng)造了更大空間，可滿足大功率OBC的嚴(yán)苛需求。
在模擬OBC應(yīng)用中AC/DC變換級的測試板上，評估了采用36mW、1200V SiC MOSFET的6合1模塊的開關(guān)損耗特性。圖2中已給出通過該測試獲得的開關(guān)損耗結(jié)果。通過對該模塊進(jìn)行雙脈沖測試評估得到的開關(guān)損耗結(jié)果，同樣適用于本文所探討的雙向DC/AC變換級的情況?；谠摂?shù)據(jù)，對11kW系統(tǒng)的雙向DC/AC變換級進(jìn)行仿真（圖5）。仿真結(jié)果表明，基于采用第4代SiC MOSFET（36mΩ，1200V）的6合1模塊構(gòu)建的11 kW AC/DC變換級，在開關(guān)頻率為48 kHz并使用強(qiáng)制風(fēng)冷散熱器的條件下，效率可達(dá)約99%（該效率值僅考慮了半導(dǎo)體損耗）。
圖5：HSDIP模塊在OBC中雙向AC/DC級的效率仿真
結(jié)論
在電動和混合動力汽車的OBC中，由4個或6個SiC MOSFET構(gòu)成的模塊，相較于分立器件方案具有顯著優(yōu)勢。憑借其更高的功率密度，這種模塊能夠減小OBC的體積和重量，并降低設(shè)計的復(fù)雜性。ROHM的HSDIP20模塊集成了最新的EcoSiC? MOSFET，仿真結(jié)果表明，將其應(yīng)用在雙向OBC的AC/DC變換級時，該系列模塊不僅展現(xiàn)出優(yōu)異的熱特性，更能實現(xiàn)約99%的效率。
EcoSiC?是ROHM Co., Ltd.的商標(biāo)或注冊商標(biāo)。
參考文獻(xiàn)
[1] M. Jankovic, C. Felgemacher, K. Lenz, A. Mashaly and A. Charkaoui，《車載充電器成本與效率考量》[J]。2022年第24屆歐洲電力電子與應(yīng)用會議（EPE'22 ECCE Europe），德國漢諾威，2022：P.1-P.9。
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