作者

意法半導體：Giuseppe Aiello、Dario Patti、Francesco Gennaro、Domenico Nardo

摘要

本文圍繞基于SiC分立器件和功率模塊的功率因數校正器（PFC）級，分析并比較了二者在車載充電器（OBC）應用中的性能。熱性能因素考量和無源元件設計是當今主流的研究課題。本文詳述了在不同運行條件下，分立和功率模塊的設計約束，同時闡明了相關理論和分析評估，突出了二者在實際OBC設計中的優缺點。借助功率損耗估算工具以及無源元件和熱管理系統的物理硬件設計，本文對三相兩電平PFC轉換器進行了評估。最終的實驗驗證采用了兩個不同的功率平臺，兩平臺均基于6開關PFC級，分別使用高度集成的新型SiC MOSFET功率模塊或分立SiC器件（采用HiP247封裝）。

01 引言

電動汽車的普及和充電時間的縮短對車載充電器（OBC）的設計提出了更多挑戰。為保證成功設計，尺寸、重量及功率轉換效率均已成為關鍵要素。隨著OBC功率水平的提高，以及輕量化緊湊型系統的發展，功率半導體將目光投向了碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等新型材料。

為滿足這些新的要求，功率器件和封裝技術都經歷了重大的變革。在此基礎上，傳統的硅器件也逐漸被寬禁帶（WBG）技術器件所取代。此外，為滿足高功率密度的需求，支持頂部冷卻的表面貼裝器件（SMD）和功率模塊等創新封裝也勢在必行。

02 OBC的PFC級

為了在遵守電能質量監管標準的同時追求能效，行業選擇在電動汽車（EV）車載充電器（OBC）中集成功率因數校正器（PFC）級（圖1）。PFC級的主要功能在于提高系統的功率因數——這是衡量輸入功率轉化為有用功輸出的重要指標。高功率因數體現了對電力的有效利用。從電網中獲得的電力大多以最小的無功功率轉換為實際功率，而無功功率不執行任何有用功，反映的是電網上的額外負載和相關損耗。

為PFC級選擇合適的拓撲結構需考慮多個方面，其中重點關注的是電能質量規范和效率。根據[1-4]，多電平拓撲（如T型配置）是高功率解決方案和高開關頻率操作的理想選擇，而兩電平轉換器則是當前最常用于三相OBC PFC設計的拓撲結構。得益于其優越的性價比以及高熱性能的SiC封裝，兩電平拓撲結構擁有更加出色的簡便性，能為功率密度優化提供可行的解決方案。

▲圖1. OBC的典型架構，主要關注PFC級

PFC級還有助于改善OBC和車輛電池系統的壽命和可靠性。PFC級能夠確保充電器在低電氣噪聲和諧波下運行，防止OBC電氣元件承受過大壓力，從而降低過早失效的風險。如此優越的可靠性對電動汽車而言至關重要，因為OBC是車輛日常運行和整體用戶體驗不可或缺的一部分。

此外，PFC級在先進OBC的雙向功率流能力中發揮著重要作用，不僅能為電動汽車的電池充電，還可在“車聯網”（V2G）或“車聯家”（V2H）的場景中將電力反饋給電網或為家庭供電。

總而言之，OBC的PFC級是優化電網功耗的關鍵一環，可保證充電過程的高效性，并減少其對電力系統基礎設施的影響。

隨著電動汽車的不斷普及，PFC級在OBC中的作用將變得愈加重要，并為電動汽車生態系統的性能和可持續性奠定堅實的基礎。

03 分立和功率模塊封裝

兩電平拓撲結構（如圖2所示）因其簡便性、出色的性能和較少的元件數量而被廣泛應用于OBC PFC級，可有效節省空間和成本。

兩電平拓撲控制方案的優勢之一在于其簡便性，這也使之能夠作為一款穩健、直接的解決方案而廣受OBC設計的青睞。然而，兩電平系統也存在一定的局限性，這在處理更高功率水平時尤為明顯。由于開關上的電壓應力等于直流鏈路電壓，因此有必要提高元件的額定電壓，但此舉也會增加導通損耗，帶來更高的成本和更低的效率。

相比之下，三電平拓撲（其T型配置如圖3所示）提供了豐富的增強功能，尤其適配需要更高功率和效率的應用。通過增加額外電壓，三電平拓撲可將各開關上的電壓應力減半，允許使用額定電壓較低的元件，以實現更加快速的切換，減少能量損失[2]，如圖4所示。如圖5和圖6所示，本文通過比較分立和功率模塊，重點討論了標準兩電平PFC的實現。

第一項對比涉及兩類封裝的物理尺寸，如表1和表2所示。

首先是單個器件的面積，本文計算并比較了不同封裝DMT-32和HiP247在PCB上所占的總空間，從中顯示出功率模塊的明顯優勢。

▲圖2. 兩電平三相B6 PFC

▲圖3. 多電平T型PFC

▲圖4. 2L-B6和3L-TType之間的開關損耗比較

▲圖5. HiP247，分立封裝

▲圖6. DMT-32集成式功率模塊，具有全橋配置

▲表1. 分立器件方案和功率模塊的物理尺寸

▲表2. 不同拓撲所占用的體積（考慮封裝尺寸）

04 分析和實驗結果

在設計PFC轉換器時必須考慮多個方面，尤其是尺寸和成本限制。其中PFC扼流圈和散熱器的尺寸和成本是關鍵因素。電感器尺寸的縮減通常是通過增加開關頻率來實現的，但此舉也會增加開關損耗。本文在整體系統的尺寸和成本方面對分立和功率模塊進行了比較。為估算PFC扼流圈尺寸和功率損耗，文中考慮了兩個開關頻率值。根據基于表3所述規范的PFC設計，將開關頻率加倍，即可減少50%的PFC扼流圈體積（如圖7和圖8所示），從而在構建材料不變的情況下節省成本。然而，更高的工作頻率會增加功率損失，因此需要更大的散熱器，尤其是對于HiP247而言。

▲表3. PFC設計規范

▲圖7. 70kHz PFC扼流圈設計

▲圖8. 140kHz PFC扼流圈設計

對于集成式功率模塊，絕緣的散熱表面可提供更佳的熱管理，允許在相同頻率下減小25%的散熱器尺寸，或實現更高的開關頻率和更低的熱耗散。相關系統的熱模型如圖9和圖10所示。

▲圖9. HiP247封裝的熱網絡

▲圖10. 集成式功率模塊的熱網絡

利用兩個不同的硬件平臺進行實現和實驗評估，從而評估對熱性能和電能質量的額外影響。兩個平臺均基于SiC功率器件，并由用于數字功率轉換的同一算法（在32位微控制器上實現）加以控制。

圖11和圖12顯示了用于評估研究的原型。

▲表4. OBC雙向PFC級規范

▲圖11. 基于HiP247 SiC器件的15kW PFC參考設計（用于實驗測試）

▲圖12. 基于DMT32 SiC功率模塊的11kW OBC參考設計（用于實驗測試）

05 結論

本文從OBC應用中的熱性能方面出發，闡述了針對分立器件和功率模塊的關鍵評估結果。理論評估結果已在11kW兩電平三相PFC中得到驗證，用于確定兩類模塊的電氣性能。本文中的主要結果體現了功率模塊在提高功率密度和縮減無源元件尺寸方面的優勢，同時實現了成本和性能之間的有效平衡。