作者

意法半導(dǎo)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(shù)校正器（PFC）級(jí)，分析并比較了二者在車(chē)載充電器（OBC）應(yīng)用中的性能。熱性能因素考量和無(wú)源元件設(shè)計(jì)是當(dāng)今主流的研究課題。本文詳述了在不同運(yùn)行條件下，分立和功率模塊的設(shè)計(jì)約束，同時(shí)闡明了相關(guān)理論和分析評(píng)估，突出了二者在實(shí)際OBC設(shè)計(jì)中的優(yōu)缺點(diǎn)。借助功率損耗估算工具以及無(wú)源元件和熱管理系統(tǒng)的物理硬件設(shè)計(jì)，本文對(duì)三相兩電平PFC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了評(píng)估。最終的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證采用了兩個(gè)不同的功率平臺(tái)，兩平臺(tái)均基于6開(kāi)關(guān)PFC級(jí)，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(dòng)汽車(chē)的普及和充電時(shí)間的縮短對(duì)車(chē)載充電器（OBC）的設(shè)計(jì)提出了更多挑戰(zhàn)。為保證成功設(shè)計(jì)，尺寸、重量及功率轉(zhuǎn)換效率均已成為關(guān)鍵要素。隨著OBC功率水平的提高，以及輕量化緊湊型系統(tǒng)的發(fā)展，功率半導(dǎo)體將目光投向了碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等新型材料。

為滿(mǎn)足這些新的要求，功率器件和封裝技術(shù)都經(jīng)歷了重大的變革。在此基礎(chǔ)上，傳統(tǒng)的硅器件也逐漸被寬禁帶（WBG）技術(shù)器件所取代。此外，為滿(mǎn)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(chuàng)新封裝也勢(shì)在必行。

02 OBC的PFC級(jí)

為了在遵守電能質(zhì)量監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)追求能效，行業(yè)選擇在電動(dòng)汽車(chē)（EV）車(chē)載充電器（OBC）中集成功率因數(shù)校正器（PFC）級(jí)（圖1）。PFC級(jí)的主要功能在于提高系統(tǒng)的功率因數(shù)——這是衡量輸入功率轉(zhuǎn)化為有用功輸出的重要指標(biāo)。高功率因數(shù)體現(xiàn)了對(duì)電力的有效利用。從電網(wǎng)中獲得的電力大多以最小的無(wú)功功率轉(zhuǎn)換為實(shí)際功率，而無(wú)功功率不執(zhí)行任何有用功，反映的是電網(wǎng)上的額外負(fù)載和相關(guān)損耗。

為PFC級(jí)選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需考慮多個(gè)方面，其中重點(diǎn)關(guān)注的是電能質(zhì)量規(guī)范和效率。根據(jù)[1-4]，多電平拓?fù)洌ㄈ鏣型配置）是高功率解決方案和高開(kāi)關(guān)頻率操作的理想選擇，而兩電平轉(zhuǎn)換器則是當(dāng)前最常用于三相OBC PFC設(shè)計(jì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。得益于其優(yōu)越的性?xún)r(jià)比以及高熱性能的SiC封裝，兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)擁有更加出色的簡(jiǎn)便性，能為功率密度優(yōu)化提供可行的解決方案。

▲圖1. OBC的典型架構(gòu)，主要關(guān)注PFC級(jí)

PFC級(jí)還有助于改善OBC和車(chē)輛電池系統(tǒng)的壽命和可靠性。PFC級(jí)能夠確保充電器在低電氣噪聲和諧波下運(yùn)行，防止OBC電氣元件承受過(guò)大壓力，從而降低過(guò)早失效的風(fēng)險(xiǎn)。如此優(yōu)越的可靠性對(duì)電動(dòng)汽車(chē)而言至關(guān)重要，因?yàn)镺BC是車(chē)輛日常運(yùn)行和整體用戶(hù)體驗(yàn)不可或缺的一部分。

此外，PFC級(jí)在先進(jìn)OBC的雙向功率流能力中發(fā)揮著重要作用，不僅能為電動(dòng)汽車(chē)的電池充電，還可在“車(chē)聯(lián)網(wǎng)”（V2G）或“車(chē)聯(lián)家”（V2H）的場(chǎng)景中將電力反饋給電網(wǎng)或?yàn)榧彝ス╇姟?/p>

總而言之，OBC的PFC級(jí)是優(yōu)化電網(wǎng)功耗的關(guān)鍵一環(huán)，可保證充電過(guò)程的高效性，并減少其對(duì)電力系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的影響。

隨著電動(dòng)汽車(chē)的不斷普及，PFC級(jí)在OBC中的作用將變得愈加重要，并為電動(dòng)汽車(chē)生態(tài)系統(tǒng)的性能和可持續(xù)性奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

03 分立和功率模塊封裝

兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如圖2所示）因其簡(jiǎn)便性、出色的性能和較少的元件數(shù)量而被廣泛應(yīng)用于OBC PFC級(jí)，可有效節(jié)省空間和成本。

兩電平拓?fù)淇刂品桨傅膬?yōu)勢(shì)之一在于其簡(jiǎn)便性，這也使之能夠作為一款穩(wěn)健、直接的解決方案而廣受OBC設(shè)計(jì)的青睞。然而，兩電平系統(tǒng)也存在一定的局限性，這在處理更高功率水平時(shí)尤為明顯。由于開(kāi)關(guān)上的電壓應(yīng)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(huì)增加導(dǎo)通損耗，帶來(lái)更高的成本和更低的效率。

相比之下，三電平拓?fù)洌ㄆ銽型配置如圖3所示）提供了豐富的增強(qiáng)功能，尤其適配需要更高功率和效率的應(yīng)用。通過(guò)增加額外電壓，三電平拓?fù)淇蓪⒏鏖_(kāi)關(guān)上的電壓應(yīng)力減半，允許使用額定電壓較低的元件，以實(shí)現(xiàn)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(guò)比較分立和功率模塊，重點(diǎn)討論了標(biāo)準(zhǔn)兩電平PFC的實(shí)現(xiàn)。

第一項(xiàng)對(duì)比涉及兩類(lèi)封裝的物理尺寸，如表1和表2所示。

首先是單個(gè)器件的面積，本文計(jì)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(yōu)勢(shì)。

▲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(kāi)關(guān)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?fù)渌加玫捏w積（考慮封裝尺寸）

04 分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在設(shè)計(jì)PFC轉(zhuǎn)換器時(shí)必須考慮多個(gè)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(guān)鍵因素。電感器尺寸的縮減通常是通過(guò)增加開(kāi)關(guān)頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但此舉也會(huì)增加開(kāi)關(guān)損耗。本文在整體系統(tǒng)的尺寸和成本方面對(duì)分立和功率模塊進(jìn)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(gè)開(kāi)關(guān)頻率值。根據(jù)基于表3所述規(guī)范的PFC設(shè)計(jì)，將開(kāi)關(guān)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(gòu)建材料不變的情況下節(jié)省成本。然而，更高的工作頻率會(huì)增加功率損失，因此需要更大的散熱器，尤其是對(duì)于HiP247而言。

▲表3. PFC設(shè)計(jì)規(guī)范

▲圖7. 70kHz PFC扼流圈設(shè)計(jì)

▲圖8. 140kHz PFC扼流圈設(shè)計(jì)

對(duì)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?qū)崿F(xiàn)更高的開(kāi)關(guān)頻率和更低的熱耗散。相關(guān)系統(tǒng)的熱模型如圖9和圖10所示。

▲圖9. HiP247封裝的熱網(wǎng)絡(luò)

▲圖10. 集成式功率模塊的熱網(wǎng)絡(luò)

利用兩個(gè)不同的硬件平臺(tái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)評(píng)估，從而評(píng)估對(duì)熱性能和電能質(zhì)量的額外影響。兩個(gè)平臺(tái)均基于SiC功率器件，并由用于數(shù)字功率轉(zhuǎn)換的同一算法（在32位微控制器上實(shí)現(xiàn)）加以控制。

圖11和圖12顯示了用于評(píng)估研究的原型。

▲表4. OBC雙向PFC級(jí)規(guī)范

▲圖11. 基于HiP247 SiC器件的15kW PFC參考設(shè)計(jì)（用于實(shí)驗(yàn)測(cè)試）

▲圖12. 基于DMT32 SiC功率模塊的11kW OBC參考設(shè)計(jì)（用于實(shí)驗(yàn)測(cè)試）

05 結(jié)論

本文從OBC應(yīng)用中的熱性能方面出發(fā)，闡述了針對(duì)分立器件和功率模塊的關(guān)鍵評(píng)估結(jié)果。理論評(píng)估結(jié)果已在11kW兩電平三相PFC中得到驗(yàn)證，用于確定兩類(lèi)模塊的電氣性能。本文中的主要結(jié)果體現(xiàn)了功率模塊在提高功率密度和縮減無(wú)源元件尺寸方面的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了成本和性能之間的有效平衡。