OBC應用中如何選擇一款合適的產(chǎn)品—碳化硅混合器件詳解

作者：李紀明、張浩、李劭陽(yáng)、徐宇暄

應用背景：

隨著(zhù)新能源汽車(chē)(xEV)的普及，車(chē)載充電機(OBC)得到了非常廣泛的應用。OBC實(shí)現交流-直流的轉換，用于高壓電池充電，通常由兩級電路組成：PFC（完成AC功率因素校正和直流轉換）和HV DCDC（完成DC電壓調整）。高功率密度、高可靠性、高效率、高性?xún)r(jià)比等核心指標一直是電源類(lèi)產(chǎn)品包括OBC追逐的目標，也是技術(shù)迭代與產(chǎn)品革新的方向。

針對OBC應用，英飛凌推出了一系列基于Si和SiC技術(shù)的器件，滿(mǎn)足了各種OBC應用需求。應用中 如果成本是最重要的參數，Trenchstop? 5 IGBT是PFC級功率器件的首選；如果效率是最重要的參數，CoolSiC? 技術(shù)則是PFC級功率器件首選技術(shù)。

對于電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載充電器OBC來(lái)說(shuō)，恰好的效率和性能是關(guān)鍵。當前大多數OBC的效率要求是適度的，客戶(hù)對于高性?xún)r(jià)比方案的需求日益增長(cháng)。英飛凌最新提供的汽車(chē)級CoolSiC?  Hybrid混合單管器件 650V AIKBE50N65RF5，恰好滿(mǎn)足了這一市場(chǎng)需求。其優(yōu)勢在于集成了包括一個(gè)50A TrenchStop? 5 IGBT和一個(gè)30A CoolSiC?二極管。英飛凌 TrenchStop? 5是市場(chǎng)上公認的首屈一指的快速開(kāi)關(guān)IGBT技術(shù)， SiC二極管使用了一種先進(jìn)的芯片貼裝方法，從而優(yōu)化了熱性能。

一、SiC Hybrid混合單管器件目標應用領(lǐng)域

目前最廣泛使用的單級OBC拓撲由圖騰柱PFC+xLLC（或DAB）兩級組成，如圖1所示。其中圖騰柱PFC，它由一個(gè)高速半橋和一個(gè)工頻整流半橋組成，完成電網(wǎng)要求的功率因素校正功能及后級需要的DC電壓調整；DC/DC變換器一般由隔離變壓器及其原副邊的兩個(gè)全橋組成，完成PFC級輸出電壓和高壓電池電壓間的匹配。

圖1 OBC典型拓撲

前面提到，應用CoolSiC?混合單管器件，可以?xún)?yōu)化性?xún)r(jià)比。具體應用中，在圖騰柱PFC一級，如圖2a所示，針對快管（高速半橋）位置的器件，RF5器件是理想的選擇。針對DC/DC原副邊功率器件選擇，如圖2b所示，RF5都是合適的選擇，這里是個(gè)雙向DC/DC變換器示例。這些位置要求功率二極管快恢復，功率器件開(kāi)關(guān)能量要求低，以達到系統安全可靠高效運行。后文會(huì )展開(kāi)介紹器件主要特性，尤其開(kāi)關(guān)特性，來(lái)說(shuō)明Hybrid器件是這種拓撲中功率器件的合適選擇。

圖2a 圖騰柱PFC，快管使用CoolSiC? Hybrid 方案

圖2b 高壓DC/DC，原副邊均使用CoolSiC? Hybrid 方案

二、 車(chē)規CoolSiC?  Hybrid混合器件介紹

650V CoolSiC? Hybrid混合分立器件是兩種公認的一流半導體技術(shù)組合：TRENCHSETOP? 5 IGBT和CoolSiC?肖特基二極管G6 。與具有硅續流二極管的傳統雙封裝產(chǎn)品相比，這種組合顯著(zhù)降低了開(kāi)關(guān)損耗，并且即插即用，可以取代傳統的TRENCHSETOP? 5 IGBT。共封裝二極管的標稱(chēng)電流通常相對于IGBT進(jìn)行規定，全額定二極管的額定電流與IGBT相似，半額定二極管的電流約為其50%。名稱(chēng)中字母“R”表示半額定電流碳化硅肖特基勢壘二極管。

目前車(chē)規級Hybrid產(chǎn)品組合有兩款產(chǎn)品，AIKW50N65RF5和 AIKBE50N65RF5，分別是TO247-3和TO263-7兩種不同封裝形式的產(chǎn)品。兩者電氣特性差異主要體現在二極管電流和熱阻值，如圖3所示。IGBT F5具有非常低的開(kāi)關(guān)損耗Eon和Eoff；SiC/SBD G6幾乎沒(méi)有反向恢復Erec，進(jìn)一步減少了IGBT的Eon。TO263封裝具有開(kāi)爾文Source腳，引腳寄生電感進(jìn)一步降低，進(jìn)一步優(yōu)化了開(kāi)關(guān)損耗Esw，電磁EMI性能也更加友好。

圖3 AIKW50N65RF5與AIKBE50E65RF5的區別

尤其特別的是，TO263封裝產(chǎn)品內部芯片和引線(xiàn)框架間的焊接采用了英飛凌特有的.XT焊接技術(shù)，優(yōu)化了熱阻參數，這一重要參數后面會(huì )再展開(kāi)說(shuō)明。圖4總結了TO263封裝的AIKBE50N65RF5的主要特點(diǎn)。

圖4 AIKBE50N65RF5的主要性能

三、 CoolSiC?  Hybrid混合器件開(kāi)關(guān)特性

PN結二極管不能立即從導通狀態(tài)變?yōu)榻刂範顟B(tài)。它們需要在過(guò)渡階段進(jìn)行反向恢復：二極管的阻塞電壓上升提取了在導通期間積累在二極管芯片中的電子-空穴等離子體。這種提取的等離子體被稱(chēng)為反向恢復電荷，并導致開(kāi)關(guān)損耗。如圖5所示。顯然，反向恢復會(huì )導致IGBT和二極管的損耗。部分損耗可直接歸因于反向恢復電荷（Qrr?Vbus），部分是由于電壓斜率的陡峭度降低。由于SiC SBD二極管在導通階段不會(huì )充滿(mǎn)電荷載流子，因此它們不需要進(jìn)行反向恢復，二極管恢復能量Erec完全消除。SiC SBD 二極管比Si PN二極管反向恢復要快的多，與硅PN結二極管相比，這大大降低了開(kāi)關(guān)損耗。當關(guān)斷能量Eoff基本上不變時(shí)，開(kāi)通能量Eon顯著(zhù)降低。圖6仿真對比了不同二極管帶來(lái)的開(kāi)通能量Eon影響，受益于SiC SBD二極管的使用，開(kāi)通能量Eon降低了一半。

圖5 二極管反向恢復損耗

圖6 AIKBE50N65RF5 開(kāi)通能量仿真，Eon降低一半

由開(kāi)關(guān)能量的定義圖7可知，Eoff降低取決于運行條件：負載電流越低，開(kāi)關(guān)速度越高，損耗降低就越顯著(zhù)。圖8中提供的示例性仿真數據表明，使用AIKBE50N65RF5，即使將關(guān)斷能量（Eoff）減半也是可能的。實(shí)際應用中關(guān)斷能量Eoff受限于DC電壓，關(guān)斷電流，驅動(dòng)電阻電容，寄生電感等參數影響。圖9所示仿真，對比了TO247-3和TO263-7器件的關(guān)斷Eoff，可見(jiàn)貼片器件的關(guān)斷損耗優(yōu)于插件封裝器件。

圖7：IGBT開(kāi)關(guān)能量示意圖

圖8：AIKBE50N65RF5關(guān)斷能量Eoff仿真

圖9 AIKBE50N65RF5/AIKW 50N65RF5關(guān)斷能量Eoff仿真對比

由以上對比可知，Hybrid貼片封裝器件Eoff優(yōu)于插件封裝器件，實(shí)際上即使對比最先進(jìn)的SiC MOSFET?和CoolMOS?，Hybrid的Eoff性能也毫不遜色。圖10對比了不同技術(shù)器件的Eoff, 可見(jiàn)Hybrid Eoff和CoolMOS?可比，經(jīng)過(guò)驅動(dòng)優(yōu)化后，Hybrid 關(guān)斷能量Eoff也可以大大縮小和SiC MOSFET的差距。

圖10 CoolSiC? Hybrid/CoolSiC? MOSFET/CoolMOS? 關(guān)斷能量Eoff對比

四、CoolSiC? Hybrid混合器件熱阻特性

XT技術(shù)消除了通過(guò)標準焊接工藝所看到的典型限制。英飛凌率先采用擴散焊接工藝，通過(guò)封裝從芯片到散熱器建立了非常良好的熱連接。與CoolSiC?相結合，這可以通過(guò)將芯片的散熱能力提高30%或將工作溫度降低15K，將芯片的結-殼熱阻優(yōu)化25%。還可以實(shí)現更高的電流輸出和更低的工作溫度，這不僅提高了系統輸出電流能力，還延長(cháng)了器件的壽命。AIKBE50N65RF5使用了這項獨特擴散焊接工藝，改善了器件的熱阻，提高了器件體的性能、可靠性和壽命。下圖11對比了擴散焊接和傳統軟焊接工藝及其帶來(lái)的熱則性能的提升。

圖11 AIKBE50N65RF5 熱阻Rthjc/Zthjc 性能

總結

本文簡(jiǎn)要描述了CoolSiC? Hybrid混合功率器件在OBC中的典型應用。并結合仿真，介紹了AIKBE50N65RF5器件的相關(guān)性能，尤其是OBC應用中關(guān)心的開(kāi)關(guān)損耗話(huà)題。AIKBE50N65RF5在開(kāi)關(guān)能量Esw和熱阻Rthjc兩者表現都是優(yōu)秀的，開(kāi)關(guān)性能和SiC MOSFET, CoolMOS?可比較，非常適合使用在OBC的PFC和xLLC/DAB拓撲中。綜合來(lái)看，CoolMOS? Hybrid是OBC高壓功率器件選擇中最具性?xún)r(jià)比的選擇。