OBC應用中如何選擇一款合適的產品—碳化硅混合器件詳解

作者：李紀明、張浩、李劭陽、徐宇暄

應用背景：

隨著新能源汽車(xEV)的普及，車載充電機(OBC)得到了非常廣泛的應用。OBC實現交流-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、高性價比等核心指標一直是電源類產品包括OBC追逐的目標，也是技術迭代與產品革新的方向。

針對OBC應用，英飛凌推出了一系列基于Si和SiC技術的器件，滿足了各種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? 技術則是PFC級功率器件首選技術。

對于電動汽車車載充電器OBC來說，恰好的效率和性能是關鍵。當前大多數OBC的效率要求是適度的，客戶對于高性價比方案的需求日益增長。英飛凌最新提供的汽車級CoolSiC?  Hybrid混合單管器件 650V AIKBE50N65RF5，恰好滿足了這一市場需求。其優勢在于集成了包括一個50A TrenchStop? 5 IGBT和一個30A CoolSiC?二極管。英飛凌 TrenchStop? 5是市場上公認的首屈一指的快速開關IGBT技術， SiC二極管使用了一種先進的芯片貼裝方法，從而優化了熱性能。

一、SiC Hybrid混合單管器件目標應用領域

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，它由一個高速半橋和一個工頻整流半橋組成，完成電網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，可以優化性價比。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，功率器件開關能量要求低，以達到系統安全可靠高效運行。后文會展開介紹器件主要特性，尤其開關特性，來說明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品相比，這種組合顯著降低了開關損耗，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電流通常相對于IGBT進行規定，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。

目前車規級Hybrid產品組合有兩款產品，AIKW50N65RF5和 AIKBE50N65RF5，分別是TO247-3和TO263-7兩種不同封裝形式的產品。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具有非常低的開關損耗Eon和Eoff；SiC/SBD G6幾乎沒有反向恢復Erec，進一步減少了IGBT的Eon。TO263封裝具有開爾文Source腳，引腳寄生電感進一步降低，進一步優化了開關損耗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封裝產品內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，優化了熱阻參數，這一重要參數后面會再展開說明。圖4總結了TO263封裝的AIKBE50N65RF5的主要特點。

圖4 AIKBE50N65RF5的主要性能

三、 CoolSiC?  Hybrid混合器件開關特性

PN結二極管不能立即從導通狀態變為截止狀態。它們需要在過渡階段進行反向恢復：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為反向恢復電荷，并導致開關損耗。如圖5所示。顯然，反向恢復會導致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充滿電荷載流子，因此它們不需要進行反向恢復，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，這大大降低了開關損耗。當關斷能量Eoff基本上不變時，開通能量Eon顯著降低。圖6仿真對比了不同二極管帶來的開通能量Eon影響，受益于SiC SBD二極管的使用，開通能量Eon降低了一半。

圖5 二極管反向恢復損耗

圖6 AIKBE50N65RF5 開通能量仿真，Eon降低一半

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

圖7：IGBT開關能量示意圖

圖8：AIKBE50N65RF5關斷能量Eoff仿真

圖9 AIKBE50N65RF5/AIKW 50N65RF5關斷能量Eoff仿真對比

由以上對比可知，Hybrid貼片封裝器件Eoff優于插件封裝器件，實際上即使對比最先進的SiC MOSFET?和CoolMOS?，Hybrid的Eoff性能也毫不遜色。圖10對比了不同技術器件的Eoff, 可見Hybrid Eoff和CoolMOS?可比，經過驅動優化后，Hybrid 關斷能量Eoff也可以大大縮小和SiC MOSFET的差距。

圖10 CoolSiC? Hybrid/CoolSiC? MOSFET/CoolMOS? 關斷能量Eoff對比

四、CoolSiC? Hybrid混合器件熱阻特性

XT技術消除了通過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-殼熱阻優化25%。還可以實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的熱則性能的提升。

圖11 AIKBE50N65RF5 熱阻Rthjc/Zthjc 性能

總結

本文簡要描述了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器件的相關性能，尤其是OBC應用中關心的開關損耗話題。AIKBE50N65RF5在開關能量Esw和熱阻Rthjc兩者表現都是優秀的，開關性能和SiC MOSFET, CoolMOS?可比較，非常適合使用在OBC的PFC和xLLC/DAB拓撲中。綜合來看，CoolMOS? Hybrid是OBC高壓功率器件選擇中最具性價比的選擇。