PCIM2025论文摘要 | 基于英飞凌S-cell产品的嵌入式PCB方案在主驱逆变器应用的优势分析与研究

 

本文介绍了一种基于英飞凌S-cell产品(1.2kV/SiC)的嵌入式PCB方案的新型功率模块概念。利用Ansys和SPICE仿真，在热阻（Rth、Zth、热耦合等）和电气特性（系统杂散电感、电压尖峰、开关损耗等）等方面进行和传统封装的SiC模块的对比。最后，基于PLECS进行器件建模和逆变电路搭建，结合典型工况进行了详细的仿真分析并总结。

 

01

基于S-cell的嵌入式PCB方案介绍

 

1.1 英飞凌S-cell产品技术的介绍

 

英飞凌S-cell LV MOSFET产品已在xEV应用的48V系统中量产。为了将类似技术推广到xEV主逆变器应用中，高压版的1200V车载碳化硅芯片S-cell产品的基本结构，如下：

 

图1. 英飞凌1200V/SiC S-cell产品基本结构

 

1.2 基于S-cell的嵌入式PCB方案的一种概念设计

 

图2. 基于S-cell的嵌入式PCB方案的概念设计之一

 

基于目前PCB制造商的创新技术和工艺制程，有多种不同S-cell嵌入式PCB方案与设计。图2所示的是其中的一种基于S-cell的嵌入式PCB方案的概念设计，PCB正面用于电气连接，PCB背面用于散热连接。

 

02

基于S-Cell的PCB方案的热性能分析

 

2.1 S-Cell PCB方案和传统模块方案的Setup与布局

 

图3. S-Cell PCB方案和传统模块方案的Setup与布局

 

2.2 S-Cell PCB方案和传统模块方案的Rth仿真对比

 

图4. S-Cell PCB方案和传统模块方案的Rth仿真对比

 

2.3 S-Cell PCB方案和传统模块方案的Zth仿真对比

图 5. S-Cell PCB方案和传统模块方案的Zth仿真对比

 

03

基于 S-cell的PCB方案的电气性能分析

 

3.1 基于S-cell的PCB方案的系统杂散电感

 

基于S-cell的PCB方案，借助PCB的灵活布局和表贴式的吸收电容，能显著降低系统的杂散电感(2nH~5nH），可用更小Rg电阻，从而优化SiC MOSFET的开关特性：

 

（1）降低Vds峰值，降低Eoff损耗

（2）降低Vsd峰值，降低Eon损失

（3）能支持更高的电池电压系统

 

3.2 SPICE仿真分析系统杂散电感对Esw的影响

 

图6. 系统杂散电感对Esw的影响(SPICE仿真)

 

04

基于S-cell PCB方案的xEV逆变器系统分析

 

4.1 基于S-cell PCB方案(4x)与传统模块的PLECS仿真setup

 

 

4.2 峰值工况（100%*负载）PLECS仿真性能

 

基于S-cell的PCB方案相比传统模块，在40kV/us开关速度时，峰值工况可获得约最多约16%的输出电流能力提升。

 

图 7. 逆变器输出电流能力的对比(PLECS仿真)

 

4.3 轻载工况（20%*负载）PLECS仿真性能

 

基于S-cell的PCB方案相比传统模块，在40kV/us开关速度时，轻载工况可获得最多约0.14%的轻载效率提升。

 

图 8. 逆变器轻载效率的对比(PLECS仿真)

 

 

结论

 

本文利用Ansys、SPICE和PLECS仿真分析，相比传统封装的模块，基于S-cell的PCB方案，Rth热阻有4~21%的降低，开关损耗Esw有4~60%的优化；在逆变器系统层面，有3~16%的输出电流增加和0.08~0.14%的轻载效率提高。