OBC應(yīng)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(jì)明、張浩、李劭陽(yáng)、徐宇暄

應(yīng)用背景：

隨著新能源汽車(xEV)的普及，車載充電機(jī)(OBC)得到了非常廣泛的應(yīng)用。OBC實(shí)現(xiàn)交流-直流的轉(zhuǎn)換，用于高壓電池充電，通常由兩級(jí)電路組成：PFC（完成AC功率因素校正和直流轉(zhuǎn)換）和HV DCDC（完成DC電壓調(diào)整）。高功率密度、高可靠性、高效率、高性價(jià)比等核心指標(biāo)一直是電源類產(chǎn)品包括OBC追逐的目標(biāo)，也是技術(shù)迭代與產(chǎn)品革新的方向。

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

對(duì)于電動(dòng)汽車車載充電器OBC來(lái)說(shuō)，恰好的效率和性能是關(guān)鍵。當(dāng)前大多數(shù)OBC的效率要求是適度的，客戶對(duì)于高性價(jià)比方案的需求日益增長(zhǎng)。英飛凌最新提供的汽車級(jí)CoolSiC?  Hybrid混合單管器件 650V AIKBE50N65RF5，恰好滿足了這一市場(chǎng)需求。其優(yōu)勢(shì)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(rèn)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(biāo)應(yīng)用領(lǐng)域

目前最廣泛使用的單級(jí)OBC拓?fù)溆蓤D騰柱PFC+xLLC（或DAB）兩級(jí)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(jí)需要的DC電壓調(diào)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(jí)輸出電壓和高壓電池電壓間的匹配。

圖1 OBC典型拓?fù)?/span>

前面提到，應(yīng)用CoolSiC?混合單管器件，可以優(yōu)化性價(jià)比。具體應(yīng)用中，在圖騰柱PFC一級(jí)，如圖2a所示，針對(duì)快管（高速半橋）位置的器件，RF5器件是理想的選擇。針對(duì)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(fù)，功率器件開(kāi)關(guān)能量要求低，以達(dá)到系統(tǒng)安全可靠高效運(yùn)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?fù)渲泄β势骷暮线m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、 車規(guī)CoolSiC?  Hybrid混合器件介紹

650V CoolSiC? Hybrid混合分立器件是兩種公認(rèn)的一流半導(dǎo)體技術(shù)組合：TRENCHSETOP? 5 IGBT和CoolSiC?肖特基二極管G6 。與具有硅續(xù)流二極管的傳統(tǒng)雙封裝產(chǎn)品相比，這種組合顯著降低了開(kāi)關(guān)損耗，并且即插即用，可以取代傳統(tǒng)的TRENCHSETOP? 5 IGBT。共封裝二極管的標(biāo)稱電流通常相對(duì)于IGBT進(jìn)行規(guī)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%。名稱中字母“R”表示半額定電流碳化硅肖特基勢(shì)壘二極管。

目前車規(guī)級(jí)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(xiàn)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(fù)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(qū)別

尤其特別的是，TO263封裝產(chǎn)品內(nèi)部芯片和引線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(shù)，這一重要參數(shù)后面會(huì)再展開(kāi)說(shuō)明。圖4總結(jié)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(jié)二極管不能立即從導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)。它們需要在過(guò)渡階段進(jìn)行反向恢復(fù)：二極管的阻塞電壓上升提取了在導(dǎo)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為反向恢復(fù)電荷，并導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗。如圖5所示。顯然，反向恢復(fù)會(huì)導(dǎo)致IGBT和二極管的損耗。部分損耗可直接歸因于反向恢復(fù)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(dǎo)通階段不會(huì)充滿電荷載流子，因此它們不需要進(jìn)行反向恢復(fù)，二極管恢復(fù)能量Erec完全消除。SiC SBD 二極管比Si PN二極管反向恢復(fù)要快的多，與硅PN結(jié)二極管相比，這大大降低了開(kāi)關(guān)損耗。當(dāng)關(guān)斷能量Eoff基本上不變時(shí)，開(kāi)通能量Eon顯著降低。圖6仿真對(duì)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(fù)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(yùn)行條件：負(fù)載電流越低，開(kāi)關(guān)速度越高，損耗降低就越顯著。圖8中提供的示例性仿真數(shù)據(jù)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(yīng)用中關(guān)斷能量Eoff受限于DC電壓，關(guān)斷電流，驅(qū)動(dòng)電阻電容，寄生電感等參數(shù)影響。圖9所示仿真，對(duì)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(duì)比

由以上對(duì)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(duì)比最先進(jìn)的SiC MOSFET?和CoolMOS?，Hybrid的Eoff性能也毫不遜色。圖10對(duì)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(qū)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(duì)比

四、CoolSiC? Hybrid混合器件熱阻特性

XT技術(shù)消除了通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)焊接工藝所看到的典型限制。英飛凌率先采用擴(kuò)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(jié)合，這可以通過(guò)將芯片的散熱能力提高30%或?qū)⒐ぷ鳒囟冉档?5K，將芯片的結(jié)-殼熱阻優(yōu)化25%。還可以實(shí)現(xiàn)更高的電流輸出和更低的工作溫度，這不僅提高了系統(tǒng)輸出電流能力，還延長(zhǎng)了器件的壽命。AIKBE50N65RF5使用了這項(xiàng)獨(dú)特?cái)U(kuò)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(duì)比了擴(kuò)散焊接和傳統(tǒng)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(jié)

本文簡(jiǎn)要描述了CoolSiC? Hybrid混合功率器件在OBC中的典型應(yīng)用。并結(jié)合仿真，介紹了AIKBE50N65RF5器件的相關(guān)性能，尤其是OBC應(yīng)用中關(guān)心的開(kāi)關(guān)損耗話題。AIKBE50N65RF5在開(kāi)關(guān)能量Esw和熱阻Rthjc兩者表現(xiàn)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?fù)渲?。綜合來(lái)看，CoolMOS? Hybrid是OBC高壓功率器件選擇中最具性價(jià)比的選擇。