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(shí)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(shí)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?yàn)閷τ诒砻尜N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(dú)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(yùn)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(shí)現(xiàn)了超低導(dǎo)通電阻，同時其極低的米勒電容可實(shí)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(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(shí)現(xiàn)單相和三相運(yùn)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(shí)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(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)。

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(shí)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(jī)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。