應用背景 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。 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。 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。 圖6:單相6.6kW OBC PFC常見拓撲組合 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。 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 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:
圖12:快管(T1/D1)和慢管(Q3)的結溫Tvj波動的影響因素 |