OBC PFC車規功率器件結溫波動與功率循環壽命分析

       隨著新能源汽車(xEV)在乘用車滲透率的逐步提升，車載充電機(OBC)作為電網與車載電池之間的單向充電或雙向補能的車載電源設備，也得到了非常廣泛的應用。相比車載主驅電控逆變器， 電源類OBC產品複雜度高，如何實現其高功率密度、高可靠性、高效率、高性價比等核心指標的優化與平衡，一直是OBC不斷技術疊代與產品革新的方向。

      在上述OBC與可靠性的背景下，針對車規功率器件在PFC電路中的結溫(Tvj)波動與功率循環(PC)壽命的熱點應用話題，我們將以系列微信文章的形式，結合英飛凌最新的技術與產品，與大家一起分享。

                                                                                                                                                                                                                                      張浩、李劭陽、李紀明、徐宇晅


功率器件可靠性基礎

功率器件的結溫(Tvj)波動與功率循環(PC)壽命，一直是工業界與學術界討論的重點。在軌道牽引、風力發電(發電側低頻)、電梯變頻、和電動汽車主驅等應用中，相關的研究已持續了幾十年，相關的標準與測試方法也趨於成熟。

功率循環(PC)壽命的本質，其實是功率器件內的不同封裝材料，在溫度變化時，由於自身CTE不匹配而產生的彼此機械應力與疲勞損傷，進而產生材料間的分離和功率器件電氣失效等現象，如綁定線與DCB分離、綁定線與晶片上表面分開、晶片與DCB焊料分層、DCB與銅基板之間焊料退化等等，如圖1。

                                                                                                           
                                                                                                        圖1：功率模塊功率循環PC壽命對應的可能失效位置示意圖

因此，功率器件自身的功率循環(PC)能力，和實際加載的溫度變化大小，共同決定了器件在應用中功率循環(PC)壽命的多少。不同的晶片和封裝材料及其工藝，對功率器件的功率循環(PC)能力有著非常顯著的影響。為了表征，功率器件的功率循環(PC)能力，器件廠家一般會提供相應產品的PC曲線或擬合公式，便於計算不同工況下的器件PC壽命。

因此，英飛凌有一篇專門的應用筆記，介紹了如何利用PC曲線進行PC壽命(次數)計算的基本思路，如圖2。

                                                                         

                                                                                                                                                圖2：英飛凌關於PC和TC的AN

以上述應用筆記中IGBT模塊的PC曲線及其PC壽命計算為例，如圖3所示，典型IGBT功率模塊的PC曲線，及其Ton時間的折算曲線，通過實際應用中IGBT的結溫Tvj波動(Tvjmax和ΔTvj)，再根據Tvj波動周期進行Ton時間的折算，就可以得到單點工況的PC次數。複雜工況可以通過加權平均或者雨流法等複雜算法，算出總的PC次數及其對應的時間，即所謂的PC壽命。計算的思路比較簡單，如果沒有PC曲線，有對應的PC擬合公式，同樣可以進行上述PC壽命計算。

                                                                            

                                                                                                                    圖3：典型IGBT模塊的PC曲線和Ton折算曲線

此處，需要特別說明兩點：一是，不同的PC測試方法，會得到不同的PC測試結果曲線，而不同器件廠家的PC測試方法可能是不同的(英飛凌的測試方法是業內最嚴酷的，如圖4)。因此，以車規模塊的AQG324可靠性標準為例，詳細規定了PC的測試方法（統一測試條件），以公平地對比不同器件的PC能力表現。二是，同樣的器件，失效機率(Failure  Probability)不同，則PC曲線也不同。英飛凌一般按默認5%(業內標杆)，而有些器件廠家可能是10%。

                                                                                        

                                                                                                                                                 圖4：不同的PC測試方法對PC測試結果的影響

以上，我們介紹了功率器件(IGBT模塊)可靠性的基礎。針對OBC應用中的單管(Si或SiC)器件，上述思路同樣適應，只是相應的器件PC曲線稍有差異，再增加一些針對單管特性的額外參數折算等而已，相關細節，我們會在下一篇的具體案例中分析與討論。


OBC應用與PFC拓撲

車載OBC產品複雜度高，在OBC產品設計應用中，要實現其高功率密度、高可靠性、高效率、高性價比等核心指標的優化與平衡。為了滿足電網AC側輸入功率因素和諧波的要求，和DCDC的寬電壓/負載範圍，通常OBC採用一級獨立的功率因素矯正（PFC）電路，典型的車載OBC系統架構如圖5所示。PFC級通過矯正輸入AC電流，保持和輸入電壓同相位的交流正弦波，在實現高功率因素的同時，功率器件流過同頻率的脈動電流，功率損耗呈現脈動形式，帶來比較大的結溫Tvj波動(ΔTvj)。如上節所述，功率器件的結溫(Tvj)波動與功率循環(PC)壽命密切相關，設計車載OBC產品，評估功率器件PC壽命，不可避免需要分析功率器件的結溫波動帶來的影響，這對車載OBC的長期可靠性評估尤為重要，這個話題也得到了業界越來越多的關注和重視。

                                                                                                
                                                                                                                                                   圖5：OBC產品結構示意圖

目前主流的OBC拓撲，一般分為非隔離AC/DC的PFC(如單/雙向圖騰柱PFC，或兩電平B6等)和隔離DC/DC的諧振電路(如LLC, CLLC, DAB等)兩部分。按PFC接入電網的制式(單相或三相或多相兼容)、電池能量單向或雙向、電池電壓400V或800V，結合系統性能與成本指標等要求，具體的拓撲方案及器件選型都會有所不同。

以單相功率6.6kW的OBC 為例，下圖是PFC的幾種常見拓撲組合，如圖6所示。

在單相圖騰柱PFC的快管位置：既有兩路IGBT單管交錯，也有單路SiC MOSFET單管，或是單路混合型SiC單管(Si/IGBT+SiC/SBD)等，基於不同的功率器件特性，常見的開關頻率fsw從40kHz ~ 100kHz不等。

在單相圖騰柱PFC的慢管位置：有單向充電的二極體，也有V2X雙向需求的IGBT單管或者Si MOSFET單管方案。

如圖7，在單/三相電網兼容的11kW OBC PFC中，基本以1200V SiC MOEFET單管的方案為主，在三相電網充放電時，以三相全橋B6拓撲運行，在單相電網充放電或者V2L時，可選其中一組橋臂作為慢管工作，其他橋臂交錯或並聯作為快管工作。

                                              
                                                                                                                       圖7：單/三相兼容的11kW OBC PFC(3線/4線)常見拓撲

因此，在OBC應用中的PFC拓撲，主流就是單相圖騰柱PFC和三相全橋B6這兩種。


車規功率器件在單相圖騰柱拓撲中的損耗分析與Tvj波動

如圖8，基於PLECS軟體，我們搭建了簡單的單相圖騰柱電路，結合英飛凌官網的車規器件PLECS模型，進行了器件損耗與Tvj波動的仿真。以單相6.6kW充電工況為例，仿真Setup如下：

快管位置(T1/T2/D1/D2)：Si/IGBT/F5/650V/50A + SiC/SBD/650V/30A

慢管位置(Q3/Q4)：Si/CoolMOS/650V/50mOhm

開關頻率fsw：60kHz

電網電壓和電流：220Vac/32Arms

母線電壓：420Vdc

                                                               

                                                                                                                                圖8：單相6.6kW圖騰柱PFC示意圖


                                                                                    
                                                                                                         圖9：電網電壓(V)和電流(A)及其驅動信號(T1/T2為快管、Q3/Q4為慢管)


                                                                                      
                                                                                                        圖10：快管(T1/D1)和慢管(Q3)損耗(W)波形與電網電流(A)的波形


如圖9和圖10所示，快管T1/D1屬於高頻硬開關，慢管Q3隻是工頻導通。所以，快管的器件功率損耗包含開關損耗和導通損耗，而慢管的器件功率損耗只有導通損耗。再加上器件自身的瞬態熱阻Zthjc，以及器件外圍的熱阻與水溫等，就可以得到功率器件的結溫Tvj波動，如圖11所示：

                                                                                       

                                                                                                             圖11：快管(T1/D1)和慢管(Q3)的結溫Tvj(̊C)波動和輸入電流Iin_ac(A)

由圖11，無論快管還是慢管，都存在50Hz的結溫Tvj波動。結合前面的仿真分析可知，快管位置T1/D1的損耗及結溫Tvj波動的影響因素，和慢管位置Q3的情況是不同的，如圖12所示：

• 快管T1(以IGBT為例)的結溫Tvj波動，相關的影響因素較多，包括PFC系統參數、器件自身特性(開關特性、導通特性、熱阻特性)、及其換流FWD特性等，即相同器件下的可調節的自由度或可優化的空間較大。

• 慢管Q3(以CoolMOS為例)的結溫Tvj波動，幾乎只與Rdson和熱阻Zthjc相關。

• 快管D1如果採用SiC/SBD，考慮到Erec很小，則情況與慢管Q3非常類似，也幾乎只與SiC/SBD電流規格和熱阻Zthjc相關。

                                                                                                                    圖12：快管(T1/D1)和慢管(Q3)的結溫Tvj波動的影響因素


總結

綜上所述，文章簡要回顧了功率器件的PC壽命可靠性、分析了OBC中PFC主流拓撲、和仿真了圖騰柱PFC的損耗和結溫Tvj波動。那麼，在實際OBC應用中，如果結合英飛凌的車規產品，進行結溫Tvj波動的計算與PC壽命評估及其注意事項等，我們將在後續篇章中逐步深入與展開。