電動(dòng)汽車領(lǐng)域的發(fā)展日新月異：電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)正朝著更高效率、更緊湊化的方向演進(jìn)，以提升車輛自主性和續(xù)航里程。車載充電器(OBC)作為這一發(fā)展的核心部件，必須在保持高效率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)最小化的重量與體積。這一技術(shù)挑戰(zhàn)的解決還需確保成本控制在限定范圍內(nèi)。

OBC用于交流充電，需接入電網(wǎng)單相或三相電壓。單相充電功率限制在3.6kW至7.5kW之間，三相充電則可支持11kW至22kW。當(dāng)前市場(chǎng)以中等功率(11kW)OBC作為成本與效率的平衡點(diǎn)，22kW方案主要應(yīng)用于高端市場(chǎng)。值得注意的是，所有OBC都必須兼容單相充電模式以適應(yīng)低功率場(chǎng)景。此外，支持雙向充放電的OBC正成為趨勢(shì)，以實(shí)現(xiàn)車對(duì)電網(wǎng)(V2G)和車對(duì)車(V2V)充電功能。

傳統(tǒng)OBC設(shè)計(jì)采用市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)分立器件(THD或SMD封裝)。對(duì)于SMD元件，熱量需通過(guò)PCB或逐個(gè)封裝添加導(dǎo)熱界面材料傳導(dǎo)至散熱器，這種方案在追求更高功率密度和系統(tǒng)緊湊性時(shí)已接近極限。而功率模塊為新一代產(chǎn)品帶來(lái)了顯著優(yōu)勢(shì)。

架構(gòu)與拓?fù)?/strong>

OBC主要存在兩種架構(gòu)(圖1)：模塊化架構(gòu)基于三個(gè)相同的單相模塊，集中式架構(gòu)則采用兼容單相工作的三相AC/DC變換器。兩種架構(gòu)均可實(shí)現(xiàn)單向或雙向拓?fù)洹?/p>

模塊化架構(gòu)需要更多元件，導(dǎo)致直流母線在儲(chǔ)能容量、體積及成本方面要求更高，同時(shí)還需額外配置柵極驅(qū)動(dòng)器和電壓/電流傳感。相比之下，集中式架構(gòu)因元件數(shù)量更少而更具成本效益，是高功率密度OBC的首選方案。

提升效率與功率密度的SiC模塊

憑借卓越特性，SiC成為OBC功率半導(dǎo)體的理想材料。羅姆第四代溝槽結(jié)構(gòu)SiC MOSFET具有極低導(dǎo)通電阻，其超低米勒電容可實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)關(guān)，有效降低開(kāi)關(guān)損耗。這些特性共同減少了整體損耗，從而緩解散熱壓力。

羅姆最新推出的HSDIP20模塊擴(kuò)展了EcoSiC產(chǎn)品線，專為OBC應(yīng)用優(yōu)化。該模塊集成四或六個(gè)SiC MOSFET構(gòu)成全橋電路，相比同技術(shù)分立器件具有多重優(yōu)勢(shì)：采用氮化鋁(AlN)陶瓷隔離冷卻板與MOSFET漏極，實(shí)現(xiàn)極低的結(jié)殼熱阻(Rth)，無(wú)需額外導(dǎo)熱絕緣材料;模塑材料使模塊內(nèi)芯片間電氣隔離，允許更緊密的芯片排布(無(wú)需考慮PCB爬電距離)，有效縮小PCB占用面積并提升功率密度。

降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)與工作量

除技術(shù)優(yōu)勢(shì)外，模塊內(nèi)置絕緣設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)流程：電氣絕緣功能由模塊內(nèi)部完成，而分立方案需外部處理。羅姆出廠前已完成模塊測(cè)試，OBC開(kāi)發(fā)階段無(wú)需額外絕緣測(cè)試，顯著縮短研發(fā)周期和成本，同時(shí)降低絕緣故障風(fēng)險(xiǎn)。

圖2

HSDIP20模塊還繼承了第四代SiC MOSFET的附加優(yōu)勢(shì)：0V關(guān)斷電壓簡(jiǎn)化了PCB布局設(shè)計(jì)。如圖2所示，在800V直流母線電壓下，模塊中第四代SiC MOSFET在不同溫度下均表現(xiàn)出低開(kāi)關(guān)損耗。

圖3

模塊化設(shè)計(jì)還具有出色擴(kuò)展性：羅姆提供多種導(dǎo)通電阻和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的模塊以適應(yīng)不同功率OBC，包括4合1與6合1拓?fù)涓髁钅K。另有一款六封裝"混合"模塊，通過(guò)組合不同導(dǎo)通電阻的MOSFET為圖騰柱PFC電路提供低成本解決方案，輕松實(shí)現(xiàn)單/三相兼容。所有模塊采用統(tǒng)一封裝，便于系統(tǒng)擴(kuò)展，且均通過(guò)AQG324認(rèn)證。

熱性能與開(kāi)關(guān)特性分析

通過(guò)仿真與實(shí)測(cè)驗(yàn)證HSDIP模塊優(yōu)勢(shì)：采用36m?/1200V SiC MOSFET的六封裝模塊在液冷板(單芯片損耗25-35W、環(huán)境/水溫60℃、20um厚度/4.1W/mK導(dǎo)熱系數(shù)的TIM材料)下的仿真顯示(圖3)，優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)使每芯片保持極低熱阻，最高結(jié)溫遠(yuǎn)低于SiC MOSFET 175℃限值，為高功率OBC需求留出充足余量。

圖4

在模擬OBC AC/DC階段的測(cè)試板上，36mW/1200V SiC MOSFET六合一模塊的開(kāi)關(guān)損耗測(cè)試結(jié)果(圖2)同樣適用于雙向DC/AC場(chǎng)景。基于該數(shù)據(jù)對(duì)11kW系統(tǒng)雙向AC/DC階段進(jìn)行仿真(圖4)，預(yù)測(cè)采用強(qiáng)制風(fēng)冷散熱器時(shí)，基于第四代SiC MOSFET(36m?/1200V)的六合一模塊在48kHz開(kāi)關(guān)頻率下效率可達(dá)99%(僅考慮半導(dǎo)體損耗)。

結(jié)論

由四或六個(gè)SiC MOSFET集成的模塊相比分立器件，在電動(dòng)/混動(dòng)汽車車載充電器中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。更高功率密度使OBC體積重量得以縮減，同時(shí)降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度。羅姆HSDIP20模塊集成最新EcoSiC MOSFET，仿真顯示其在雙向OBC的AC/DC階段具有優(yōu)異熱特性和99%的效率表現(xiàn)。