OBC架構(gòu)主要有兩種（圖1）：一種是基于三個(gè)相同單相模塊的模塊化架構(gòu)；另一種是基于一個(gè)三相AC/DC轉(zhuǎn)換器（該轉(zhuǎn)換器也支持單相運(yùn)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?shí)現(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(chǔ)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(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)了超低導(dǎo)通電阻。另外，其非常低的米勒電容可實(shí)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(jì)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(gè)或6個(gè)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(shí)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(jì)減小了PCB占用面積，同時(shí)提升了OBC解決方案的功率密度。

工作量更少，風(fēng)險(xiǎn)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?，該系列模塊不僅可縮短開發(fā)周期并降低開發(fā)成本，同時(shí)還能降低出現(xiàn)絕緣問題的風(fēng)險(xiǎn)。

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(gè)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(shí)現(xiàn)單相和三相運(yùn)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(yàn)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(gè)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(shí)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(shí)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(dòng)和混合動(dòng)力汽車的OBC中，由4個(gè)或6個(gè)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(jì)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(shí)，該系列模塊不僅展現(xiàn)出優(yōu)異的熱特性，更能實(shí)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(huì)議（EPE'22 ECCE Europe），德國漢諾威，2022：P.1-P.9。