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，分析并比較了二者在車載充電器（OBC）應(yīng)用中的性能。熱性能因素考量和無源元件設(shè)計是當(dāng)今主流的研究課題。本文詳述了在不同運行條件下，分立和功率模塊的設(shè)計約束，同時闡明了相關(guān)理論和分析評估，突出了二者在實際OBC設(shè)計中的優(yōu)缺點。借助功率損耗估算工具以及無源元件和熱管理系統(tǒng)的物理硬件設(shè)計，本文對三相兩電平PFC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了評估。最終的實驗驗證采用了兩個不同的功率平臺，兩平臺均基于6開關(guān)PFC級，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

電動汽車的普及和充電時間的縮短對車載充電器（OBC）的設(shè)計提出了更多挑戰(zhàn)。為保證成功設(shè)計，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)新封裝也勢在必行。

02 OBC的PFC級

為了在遵守電能質(zhì)量監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)的同時追求能效，行業(yè)選擇在電動汽車（EV）車載充電器（OBC）中集成功率因數(shù)校正器（PFC）級（圖1）。PFC級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)了對電力的有效利用。從電網(wǎng)中獲得的電力大多以最小的無功功率轉(zhuǎn)換為實際功率，而無功功率不執(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級選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需考慮多個方面，其中重點關(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)計的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。得益于其優(yōu)越的性價比以及高熱性能的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

PFC級還有助于改善OBC和車輛電池系統(tǒng)的壽命和可靠性。PFC級能夠確保充電器在低電氣噪聲和諧波下運行，防止OBC電氣元件承受過大壓力，從而降低過早失效的風(fēng)險。如此優(yōu)越的可靠性對電動汽車而言至關(guān)重要，因為OBC是車輛日常運行和整體用戶體驗不可或缺的一部分。

此外，PFC級在先進(jìn)OBC的雙向功率流能力中發(fā)揮著重要作用，不僅能為電動汽車的電池充電，還可在“車聯(lián)網(wǎng)”（V2G）或“車聯(lián)家”（V2H）的場景中將電力反饋給電網(wǎng)或為家庭供電。

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

隨著電動汽車的不斷普及，PFC級在OBC中的作用將變得愈加重要，并為電動汽車生態(tài)系統(tǒng)的性能和可持續(xù)性奠定堅實的基礎(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，可有效節(jié)省空間和成本。

兩電平拓?fù)淇刂品桨傅膬?yōu)勢之一在于其簡便性，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尤為明顯。由于開關(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，但此舉也會增加導(dǎo)通損耗，帶來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）提供了豐富的增強功能，尤其適配需要更高功率和效率的應(yīng)用。通過增加額外電壓，三電平拓?fù)淇蓪⒏鏖_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，本文通過比較分立和功率模塊，重點討論了標(biāo)準(zhǔn)兩電平PFC的實現(xiàn)。

第一項對比涉及兩類封裝的物理尺寸，如表1和表2所示。

首先是單個器件的面積，本文計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。

▲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 分析和實驗結(jié)果

在設(shè)計PFC轉(zhuǎn)換器時必須考慮多個方面，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增加開關(guān)頻率來實現(xiàn)的，但此舉也會增加開關(guān)損耗。本文在整體系統(tǒng)的尺寸和成本方面對分立和功率模塊進(jìn)行了比較。為估算PFC扼流圈尺寸和功率損耗，文中考慮了兩個開關(guān)頻率值。根據(jù)基于表3所述規(guī)范的PFC設(shè)計，將開關(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，更高的工作頻率會增加功率損失，因此需要更大的散熱器，尤其是對于HiP247而言。

▲表3. PFC設(shè)計規(guī)范

▲圖7. 70kHz PFC扼流圈設(shè)計

▲圖8. 140kHz PFC扼流圈設(shè)計

對于集成式功率模塊，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)

利用兩個不同的硬件平臺進(jìn)行實現(xiàn)和實驗評估，從而評估對熱性能和電能質(zhì)量的額外影響。兩個平臺均基于SiC功率器件，并由用于數(shù)字功率轉(zhuǎn)換的同一算法（在32位微控制器上實現(xiàn)）加以控制。

圖11和圖12顯示了用于評估研究的原型。

▲表4. OBC雙向PFC級規(guī)范

▲圖11. 基于HiP247 SiC器件的15kW PFC參考設(shè)計（用于實驗測試）

▲圖12. 基于DMT32 SiC功率模塊的11kW OBC參考設(shè)計（用于實驗測試）

05 結(jié)論

本文從OBC應(yīng)用中的熱性能方面出發(fā)，闡述了針對分立器件和功率模塊的關(guān)鍵評估結(jié)果。理論評估結(jié)果已在11kW兩電平三相PFC中得到驗證，用于確定兩類模塊的電氣性能。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源元件尺寸方面的優(yōu)勢，同時實現(xiàn)了成本和性能之間的有效平衡。