在電動汽車(EV)性能不斷提升、續(xù)航里程持續(xù)增加的大趨勢下，車載充電器(OBC)作為關(guān)鍵部件，面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。更高的電池電壓要求更快的充電速率，同時，設(shè)計上又需要實現(xiàn)更小體積、更輕重量以及更高的熱效率。應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，需從元件層面重新思考功率轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)方式。ROHM 半導(dǎo)體公司最新研發(fā)的 HSDIP20 封裝的 4 合 1 和 6 合 1 SiC 塑封模塊，為這一難題提供了全新的解決方案。該系列模塊專為 OBC 中的功率因數(shù)校正(PFC)和 LLC 轉(zhuǎn)換器電路以及其他高功率應(yīng)用而設(shè)計，有望顯著提升功率密度和熱管理水平，這兩個參數(shù)對于現(xiàn)代電動汽車系統(tǒng)至關(guān)重要。

傳統(tǒng) OBC 架構(gòu)的困境

在傳統(tǒng)的 OBC 架構(gòu)中，采用頂部散熱的分立 SiC MOSFET 一直是常用方案。然而，隨著功率水平的不斷提高，散熱管理和保持緊湊的外形尺寸變得愈發(fā)困難。因為對于表面貼裝器件(SMD)而言，需要通過印刷電路板(PCB)散熱，或者使用合適的熱界面材料將每個獨立封裝精確地固定在散熱器上進(jìn)行散熱，這種方式在追求更高功率密度和系統(tǒng)緊湊性方面已接近極限。此外，OBC 主要有兩種架構(gòu)：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)。模塊化架構(gòu)需要更多的元器件，這導(dǎo)致直流鏈路對儲能容量的要求提高，進(jìn)而增加了體積和成本，還需要額外配置柵極驅(qū)動器以及電壓、電流檢測功能。相比之下，集中式架構(gòu)所需元器件更少，能夠?qū)崿F(xiàn)更具成本效益的 OBC，已成為高功率密度 OBC 的首選架構(gòu)。

SiC 模塊的技術(shù)突破

ROHM 推出的 HSDIP20 模塊，為解決上述問題帶來了曙光。SiC 材料憑借其卓越的特性，成為 OBC 功率半導(dǎo)體的理想選擇。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，同時其極低的米勒電容可實現(xiàn)超快的開關(guān)速度，有效降低開關(guān)損耗。這些特性使得總損耗更低，從而減輕了散熱設(shè)計的負(fù)擔(dān)。

HSDIP20 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，具有諸多顯著優(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，使得結(jié)殼熱阻(Rth)非常低，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。同時，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(在分立器件方案中必須考慮 PCB 上的爬電距離)，這種設(shè)計減小了 PCB 占用面積，提升了 OBC 解決方案的功率密度。

從數(shù)據(jù)上來看，在 OBC 常用的 PFC 電路(采用 6 枚 SiC MOSFET)中，使用 6 枚頂部散熱型分立器件與使用 1 枚 6 合 1 結(jié)構(gòu)的 HSDIP20 模塊在相同條件下進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，HSDIP20 的溫度比分立結(jié)構(gòu)低約 38℃(25W 工作時)。并且，與頂部散熱型分立器件相比，HSDIP20 的電流密度達(dá)到 3 倍以上;與同類型 DIP 模塊相比，電流密度高達(dá) 1.4 倍以上，達(dá)到業(yè)界先進(jìn)水平。在上述 PFC 電路中，HSDIP20 的安裝面積與頂部散熱型分立器件相比可減少約 52%。

簡化開發(fā)流程，降低風(fēng)險

除了技術(shù)優(yōu)勢外，HSDIP20 模塊還在開發(fā)流程上為工程師提供了便利。由于模塊內(nèi)部已內(nèi)置電氣隔離功能，而采用分立器件的解決方案則需要在外部處理隔離問題，所以該系列模塊不僅縮短了開發(fā)周期、降低了開發(fā)成本，同時還降低了出現(xiàn)絕緣問題的風(fēng)險。

HSDIP20 模塊還具有良好的可擴(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。例如，ROHM 推出了一款采用 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。而且，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)。

在模塊的熱性能演示中，采用配備 36mΩ、1200V SiC MOSFET 的 Six - pack 模塊，通過優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了非常低的單芯片熱阻，在熱性能方面優(yōu)勢顯著，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。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，同樣適用于雙向 DC/AC 變換級的情況。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 11kW AC/DC 變換級，在開關(guān)頻率為 48kHz 并使用強制風(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)。

應(yīng)用前景廣闊

在電動汽車領(lǐng)域，為延長車輛的續(xù)航里程并提升充電速度，所采用的電池正朝著更高電壓等級加速推進(jìn)，同時，提升 OBC 和 DC - DC 轉(zhuǎn)換器輸出功率的需求也日益凸顯。另一方面，市場還要求這些應(yīng)用實現(xiàn)小型化和輕量化，其核心是提高功率密度，HSDIP20 模塊正好迎合了這一市場趨勢。

除了電動汽車的 OBC 應(yīng)用，HSDIP20 模塊還可應(yīng)用于車載 DC - DC 轉(zhuǎn)換器、電動壓縮機等設(shè)備。在工業(yè)領(lǐng)域，其適用于 EV 充電樁、V2X 系統(tǒng)、AC 伺服器、服務(wù)器電源、PV 逆變器、功率調(diào)節(jié)器等。

隨著汽車和基礎(chǔ)設(shè)施電氣化進(jìn)程的加速，像 ROHM 的 HSDIP20 模塊這樣在元件級設(shè)計上的突破至關(guān)重要。通過突破散熱和功率密度的限制，同時簡化系統(tǒng)級設(shè)計，這些創(chuàng)新為更小、更快、更高效的電動汽車充電和功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)鋪平了道路。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，緊湊型 SiC 模塊在高功率密度應(yīng)用領(lǐng)域必將發(fā)揮更為重要的作用，推動整個行業(yè)邁向新的發(fā)展階段。