浮思特 | 紧凑型SiC模块助力高功率密度车载充电器发展

电动汽车领域的发展日新月异：电动动力系统正朝着更高效率、更紧凑化的方向演进，以提升车辆自主性和续航里程。车载充电器(OBC)作为这一发展的核心部件，必须在保持高效率的同时实现最小化的重量与体积。这一技术挑战的解决还需确保成本控制在限定范围内。

 

 

OBC用于交流充电，需接入电网单相或三相电压。单相充电功率限制在3.6kW至7.5kW之间，三相充电则可支持11kW至22kW。当前市场以中等功率(11kW)OBC作为成本与效率的平衡点，22kW方案主要应用于高端市场。值得注意的是，所有OBC都必须兼容单相充电模式以适应低功率场景。此外，支持双向充放电的OBC正成为趋势，以实现车对电网(V2G)和车对车(V2V)充电功能。

 

传统OBC设计采用市场标准分立器件(THD或SMD封装)。对于SMD元件，热量需通过PCB或逐个封装添加导热界面材料传导至散热器，这种方案在追求更高功率密度和系统紧凑性时已接近极限。而功率模块为新一代产品带来了显著优势。

图1

 

架构与拓扑

 

OBC主要存在两种架构(图1)：模块化架构基于三个相同的单相模块，集中式架构则采用兼容单相工作的三相AC/DC变换器。两种架构均可实现单向或双向拓扑。

 

模块化架构需要更多元件，导致直流母线在储能容量、体积及成本方面要求更高，同时还需额外配置栅极驱动器和电压/电流传感。相比之下，集中式架构因元件数量更少而更具成本效益，是高功率密度OBC的首选方案。

 

提升效率与功率密度的SiC模块

 

凭借卓越特性，SiC成为OBC功率半导体的理想材料。罗姆第四代沟槽结构SiC MOSFET具有极低导通电阻，其超低米勒电容可实现快速开关，有效降低开关损耗。这些特性共同减少了整体损耗，从而缓解散热压力。

 

罗姆最新推出的HSDIP20模块扩展了EcoSiC产品线，专为OBC应用优化。该模块集成四或六个SiC MOSFET构成全桥电路，相比同技术分立器件具有多重优势：采用氮化铝(AlN)陶瓷隔离冷却板与MOSFET漏极，实现极低的结壳热阻(Rth)，无需额外导热绝缘材料;模塑材料使模块内芯片间电气隔离，允许更紧密的芯片排布(无需考虑PCB爬电距离)，有效缩小PCB占用面积并提升功率密度。

 

降低开发风险与工作量

 

除技术优势外，模块内置绝缘设计简化了开发流程：电气绝缘功能由模块内部完成，而分立方案需外部处理。罗姆出厂前已完成模块测试，OBC开发阶段无需额外绝缘测试，显著缩短研发周期和成本，同时降低绝缘故障风险。

图2

 

HSDIP20模块还继承了第四代SiC MOSFET的附加优势：0V关断电压简化了PCB布局设计。如图2所示，在800V直流母线电压下，模块中第四代SiC MOSFET在不同温度下均表现出低开关损耗。

图3

模块化设计还具有出色扩展性：罗姆提供多种导通电阻和拓扑结构的模块以适应不同功率OBC，包括4合1与6合1拓扑各六款模块。另有一款六封装"混合"模块，通过组合不同导通电阻的MOSFET为图腾柱PFC电路提供低成本解决方案，轻松实现单/三相兼容。所有模块采用统一封装，便于系统扩展，且均通过AQG324认证。

 

热性能与开关特性分析

 

通过仿真与实测验证HSDIP模块优势：采用36mΩ/1200V SiC MOSFET的六封装模块在液冷板(单芯片损耗25-35W、环境/水温60℃、20um厚度/4.1W/mK导热系数的TIM材料)下的仿真显示(图3)，优化内部结构使每芯片保持极低热阻，最高结温远低于SiC MOSFET 175℃限值，为高功率OBC需求留出充足余量。

图4

 

在模拟OBC AC/DC阶段的测试板上，36mW/1200V SiC MOSFET六合一模块的开关损耗测试结果(图2)同样适用于双向DC/AC场景。基于该数据对11kW系统双向AC/DC阶段进行仿真(图4)，预测采用强制风冷散热器时，基于第四代SiC MOSFET(36mΩ/1200V)的六合一模块在48kHz开关频率下效率可达99%(仅考虑半导体损耗)。

 

结论

 

由四或六个SiC MOSFET集成的模块相比分立器件，在电动/混动汽车车载充电器中展现出显著优势。更高功率密度使OBC体积重量得以缩减，同时降低设计复杂度。罗姆HSDIP20模块集成最新EcoSiC MOSFET，仿真显示其在双向OBC的AC/DC阶段具有优异热特性和99%的效率表现。