在OBC拓?fù)渲校瑐鹘y(tǒng)的mosfet不能讓開(kāi)關(guān)損耗和效率得到最優(yōu)化，而SiC mosfet可以通過(guò)高頻化讓OBC拓?fù)涞拈_(kāi)關(guān)損耗減小，效率得以優(yōu)化，體積和綜合成本得以減小。本文通過(guò)側(cè)重對(duì)器件封裝分析，討論一下封裝對(duì)OBC電路的性能影響。

一.碳化硅mosfet的優(yōu)勢(shì)

在EV的應(yīng)用中，電源變換器的效率和損耗決定了里程范圍和充電時(shí)間，所以提高EV的OBC的效率非常重要，寬禁帶器件SiC mosfet是可以通過(guò)高頻化有效提高電源的效率，減小損耗。

圖1 RdsA-BV的各種技術(shù)對(duì)比

從圖1所展示的各種結(jié)構(gòu)SiC mosfet來(lái)看，cascode結(jié)構(gòu)的SiC mosfet具有一定耐壓下，Rdson和die面積乘積的最優(yōu)化。

OBC的前級(jí)PFC一般采用圖騰柱PFC,如圖2所示，SiC mosfet非常適合高頻化，并且具有良好的體二極管的反向恢復(fù)特性，使得圖騰柱PFC可以很好的運(yùn)行在硬開(kāi)關(guān)控制中。

圖2 交錯(cuò)圖騰柱PFC功率電路

這里示例中，輸入電壓為230VAC,輸出DC電壓為400VDC，功率等級(jí)為6.6kW，它運(yùn)行在CCM模式的硬開(kāi)關(guān)電路，快速橋臂的工作頻率為75kHz，慢速橋臂的工作頻率為電網(wǎng)頻率50Hz，兩個(gè)快速橋臂運(yùn)行于interleave模式下，通過(guò)采用750V,60mohm以內(nèi)的SiC mosfet，可以將散熱片或者散熱流體的溫度控制在110C左右。

OBC后級(jí)的DC/DC，一般采用LLC或者CLLC諧振電路以提高效率，典型電路如圖3所示。

圖3 CLLC DC/DC諧振電路

這里的示例中，功率等級(jí)6.6kW，開(kāi)關(guān)頻率300kHz，輸出電壓為400VDC，采用750V耐壓60mohm以內(nèi)阻抗的碳化硅mosfet，將散熱器或者散熱流體的溫度控制在115C以內(nèi)。

對(duì)于不需要反向工作的前級(jí)電路，可以采用維也納PFC架構(gòu)，來(lái)得到800V的總線電壓，從中使用SiC mosfet也可以對(duì)導(dǎo)通損耗有很大幫助，如圖4所示。

圖4 三相維也納整流電路功率級(jí)

這里的示例為22kW等級(jí)，運(yùn)行于40kHz的開(kāi)關(guān)頻率，得到800VDC的總線電壓，這里可以使用750V耐壓40mohm以內(nèi)的碳化硅Mosfet，結(jié)合1200V碳化硅二極管使用，將散熱器或者散熱流體的溫度控制在120C以內(nèi)。

二.SiC mosfet的封裝考慮

SiC mosfet主要用于高壓，大功率應(yīng)用中，可以讓電源轉(zhuǎn)換效率達(dá)到99.5%以上，對(duì)于幾千瓦的電源，損耗可以控制在10W以內(nèi)。典型的封裝為TO247,由于具有較小的Junction to case熱阻，因此它具有較低的溫升，相關(guān)的一些工藝如銀燒結(jié)工藝，薄晶元技術(shù)等都可以改善器件熱阻，通常這種封裝還具有一個(gè)Kelvin連接pin，可以避免負(fù)載電流流過(guò)源極時(shí)對(duì)門級(jí)驅(qū)動(dòng)回路產(chǎn)生影響，即TO247-4L封裝.

這種封裝雖然有著一系列的優(yōu)點(diǎn)，如熱阻小，散熱好，但是它也具有很多不方便之處，例如，在安裝方面就比較麻煩，因?yàn)橥ǔ?/span>TO247-4L或者TO247器件需要通過(guò)絕緣陶瓷和導(dǎo)熱膠安裝在散熱器上，另一端需要進(jìn)行PCB鉆孔，焊接，彎折等，還要考慮器件pin腳隔離爬電距離，和絕緣間距等，這造成了比較多的安裝及工藝成本。

相應(yīng)于插件封裝，就是典型的貼片封裝，如D2PAK-7L,由于導(dǎo)通阻抗低，易于安裝，可以直接通過(guò)回流焊焊接到一個(gè)絕緣金屬基板上去，并且連接到液冷散熱器上，這個(gè)過(guò)程不需要絕緣器材及導(dǎo)熱膠。同時(shí)基于SMD的D2PAK-7L的結(jié)構(gòu)，5個(gè)源極的pin腳可以產(chǎn)生很小的源極阻抗及寄生電感，pin腳爬電距離和絕緣間距也可以做到最大，這種封裝可以應(yīng)用在OBC電路中，產(chǎn)生更好的綜合性能。

具體分析SMD的封裝，由于散熱焊盤(pán)面積比較小，所以相對(duì)具有的Junctionto case及case to heatsink的熱阻會(huì)變大，這是封裝物理限制導(dǎo)致的，但是SMD封裝卻可以帶來(lái)較小的寄生引線電感，較大的絕緣間距及爬電距離。

圖5 D2PAK-7L和TO247-4L的封裝參數(shù)比較

通過(guò)圖5我們比較了兩種封裝參數(shù)，SMD封裝具有較小的寄生電感和爬電距離和絕緣距離，但是由于SMD封裝散熱焊盤(pán)的面積小而犧牲了一些熱阻特性。

圖6 TO247-4L封裝的不同絕緣材料產(chǎn)生的熱阻

圖7 D2PAK-7L封裝的不同導(dǎo)熱介質(zhì)厚度產(chǎn)生的熱阻

從圖6，7中所示的幾種型號(hào)的SiC mosfet的熱阻性能比較來(lái)看，圖7中所示的SMD類型的器件熱阻偏大，不管是Junction to case還是Junction to 導(dǎo)熱介質(zhì)熱阻，較高的熱阻會(huì)讓同樣的損耗加大溫升，溫升反過(guò)來(lái)會(huì)讓Rdson增加，從而損耗更大一些。

具體拓?fù)涞膿p耗和溫升計(jì)算請(qǐng)參考原文，鏈接如下參考,這里不詳細(xì)探討。

https://www.powerelectronicsnews.com/improving-on-board-charger-performance-with-the-latest-sic-fet-package-options/

總結(jié)，本文通過(guò)對(duì)碳化硅mosfet的典型應(yīng)用OBC拓?fù)?，包?/span>PFC和DC/DC部分及充電樁典型拓?fù)淙嗑S也納整流拓?fù)錇榛A(chǔ)，比較了插件封裝TO247-4L/TO247和貼片封裝D2PAK-7L各自的優(yōu)缺點(diǎn)，不涉及具體的器件型號(hào)，只是對(duì)這一個(gè)層面的問(wèn)題做個(gè)討論，為后續(xù)進(jìn)行更深入的探討奠定基礎(chǔ)。