本文介紹了一種基于英飛凌S-cell產(chǎn)品(1.2kV/SiC)的嵌入式PCB方案的新型功率模塊概念。利用Ansys和SPICE仿真，在熱阻（Rth、Zth、熱耦合等）和電氣特性（系統(tǒng)雜散電感、電壓尖峰、開關(guān)損耗等）等方面進(jìn)行和傳統(tǒng)封裝的SiC模塊的對(duì)比。最后，基于PLECS進(jìn)行器件建模和逆變電路搭建，結(jié)合典型工況進(jìn)行了詳細(xì)的仿真分析并總結(jié)。

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基于S-cell的嵌入式PCB方案介紹

1.1英飛凌S-cell產(chǎn)品技術(shù)的介紹

英飛凌S-cell LV MOSFET產(chǎn)品已在xEV應(yīng)用的48V系統(tǒng)中量產(chǎn)。為了將類似技術(shù)推廣到xEV主逆變器應(yīng)用中，高壓版的1200V車載碳化硅芯片S-cell產(chǎn)品的基本結(jié)構(gòu)，如下：

圖1. 英飛凌1200V/SiC S-cell產(chǎn)品基本結(jié)構(gòu)

1.2基于S-cell的嵌入式PCB方案的一種概念設(shè)計(jì)

圖2. 基于S-cell的嵌入式PCB方案的概念設(shè)計(jì)之一

基于目前PCB制造商的創(chuàng)新技術(shù)和工藝制程，有多種不同S-cell嵌入式PCB方案與設(shè)計(jì)。圖2所示的是其中的一種基于S-cell的嵌入式PCB方案的概念設(shè)計(jì)，PCB正面用于電氣連接，PCB背面用于散熱連接。

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基于S-Cell的PCB方案的熱性能分析

2.1S-Cell PCB方案和傳統(tǒng)模塊方案的Setup與布局

圖3. S-Cell PCB方案和傳統(tǒng)模塊方案的Setup與布局

2.2S-Cell PCB方案和傳統(tǒng)模塊方案的Rth仿真對(duì)比

圖4. S-Cell PCB方案和傳統(tǒng)模塊方案的Rth仿真對(duì)比

2.3S-Cell PCB方案和傳統(tǒng)模塊方案的Zth仿真對(duì)比

圖 5. S-Cell PCB方案和傳統(tǒng)模塊方案的Zth仿真對(duì)比

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基于 S-cell的PCB方案的電氣性能分析

3.1基于S-cell的PCB方案的系統(tǒng)雜散電感

基于S-cell的PCB方案，借助PCB的靈活布局和表貼式的吸收電容，能顯著降低系統(tǒng)的雜散電感(2nH~5nH），可用更小Rg電阻，從而優(yōu)化SiC MOSFET的開關(guān)特性：

（1）降低Vds峰值，降低Eoff損耗

（2）降低Vsd峰值，降低Eon損失

（3）能支持更高的電池電壓系統(tǒng)

3.2SPICE仿真分析系統(tǒng)雜散電感對(duì)Esw的影響

圖6. 系統(tǒng)雜散電感對(duì)Esw的影響(SPICE仿真)

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基于S-cell PCB方案的xEV逆變器系統(tǒng)分析

4.1基于S-cell PCB方案(4x)與傳統(tǒng)模塊的PLECS仿真setup

4.2峰值工況（100%*負(fù)載）PLECS仿真性能

基于S-cell的PCB方案相比傳統(tǒng)模塊，在40kV/us開關(guān)速度時(shí)，峰值工況可獲得約最多約16%的輸出電流能力提升。

圖 7. 逆變器輸出電流能力的對(duì)比(PLECS仿真)

4.3輕載工況（20%*負(fù)載）PLECS仿真性能

基于S-cell的PCB方案相比傳統(tǒng)模塊，在40kV/us開關(guān)速度時(shí)，輕載工況可獲得最多約0.14%的輕載效率提升。

圖 8. 逆變器輕載效率的對(duì)比(PLECS仿真)

結(jié)論

本文利用Ansys、SPICE和PLECS仿真分析，相比傳統(tǒng)封裝的模塊，基于S-cell的PCB方案，Rth熱阻有4~21%的降低，開關(guān)損耗Esw有4~60%的優(yōu)化；在逆變器系統(tǒng)層面，有3~16%的輸出電流增加和0.08~0.14%的輕載效率提高。