【導(dǎo)讀】隨著電動汽車的車載充電器 (OBC) 迅速向更高功率和更高開關(guān)頻率發(fā)展，對 SiC MOSFET 的需求也在增長。許多高壓分立 SiC MOSFET 已經(jīng)上市，工程師也在利用它們的性能優(yōu)勢設(shè)計(jì) OBC 系統(tǒng)。要注意的是，PFC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化非常顯著。設(shè)計(jì)人員正在采用基于 SiC MOSFET 的無橋 PFC 拓?fù)?，因?yàn)樗兄吭降拈_關(guān)性能和較小的反向恢復(fù)特性。眾所周知，使用 SiC MOSFET 模塊可提供電氣和熱性能以及功率密度方面的優(yōu)勢。
安森美 (onsemi) 在使用 Si MOSFET 技術(shù)的汽車模塊設(shè)計(jì)領(lǐng)域表現(xiàn)出色，現(xiàn)在推出了一系列 SiC MOSFET 模塊以改進(jìn) OBC 設(shè)計(jì)，包括使用 1200 V SiC 器件的 PFC 和 DC/DC 模塊。本應(yīng)用筆記將介紹這些模塊，并提供這些新模塊的使用指南。
模塊介紹
圖 1 和圖 2 顯示了單向和雙向 OBC 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在 EV 市場中受到廣泛關(guān)注。安森美推出了全新的壓鑄模、高壓隔離多芯片模塊系列，該系列最初的三款產(chǎn)品是：
● NVXK2KR80WDT Vienna 整流器模塊搭載 1200 V 80 mΩ SiC MOSFET，SiC 和 Si 二極管貼裝在 Al2O3 陶瓷基板上；
● NVXK2TR80WDT 雙半橋模塊搭載 1200 V 80 mΩ SiC MOSFET，貼裝在 Al2O3 陶瓷基板上；
● NVXK2TR40WXT 雙半橋模塊搭載 1200 V 40 mΩ SiC MOSFET，貼裝在 AlN 陶瓷基板上，用于提高電流處理能力。
圖 3 和圖 4 給出了這三個(gè)模塊的封裝信息摘要和原理圖。
圖 1. 典型模塊應(yīng)用：帶 Vienna 整流器 PFC 級的單向車載充電器
圖 2. 替代模塊應(yīng)用：使用多個(gè)半橋的雙向車載充電器
圖 3. 1200 V SiC MOSFET模塊封裝外形圖
圖 4. 模塊設(shè)計(jì)變化
應(yīng)用信息
安森美和公開的技術(shù)文獻(xiàn)提供了重要的設(shè)計(jì)資源，有助于汽車 OBC 設(shè)計(jì)人員在各種電路拓?fù)渲姓_使用 SiC MOSFET。其中包括可從 www.onsemi.cn 獲得的以下資源：
● AND90103/D 安森美 M1 1200 V SiC MOSFET 和模塊：特性和驅(qū)動建議
● HDBK853/D 功率因數(shù)校正手冊
● 使用 NCP4390/NCV4390 的 AND90061/D 半橋 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)
● TND6318/D 車載充電器 (OBC) LLC 轉(zhuǎn)換器
● AND9957/D 車載充電器 (OBC) 三相 PFC 轉(zhuǎn)換器
● EVBUM2731/D 6.6 kW 車載 EV 充電器（SiC 型號）評估板用戶手冊
● EVBUM2784/D 6.6 kW 圖騰柱演示板用戶手冊
另有相關(guān)的指南可為工程師在開發(fā)復(fù)雜系統(tǒng)（例如汽車 OBC）的建模方面提供幫助：
● AND9783/D 如何將物理和可擴(kuò)展模型與 SIMetrix、OrCAD 和 LTSpice 結(jié)合使用
● AND90096/D 使用 SIMetrix 研究散熱片上 MOSFET 的熱行為
讀者還可查看安森美的應(yīng)用筆記，它們提供了相關(guān)產(chǎn)品在機(jī)械貼裝和 PCB 設(shè)計(jì)方面的有用信息：
● AND9922/D ASPM27 系列封裝組裝指南
● AND90036/D DIP?26 系列：用于工業(yè)驅(qū)動器的新型壓鑄模功率集成模塊 (TMPIM)（第 8 頁及以后）
參考文獻(xiàn)中引用了 Thangavela 等人關(guān)于 PFC 的 Vienna 拓?fù)涞膬?yōu)秀論文 [1]，以及威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的 Yutong Zhu 的碩士論文 [2]。
本文將重點(diǎn)介紹安森美 1200 V SiC MOSFET 模塊的技術(shù)細(xì)節(jié)，可用于實(shí)施上述參考文獻(xiàn)中詳細(xì)探討的 OBC 功率級。
電流和電壓額定值
所有 SiC MOSFET 模塊的漏極-源極擊穿電壓額定值為 BVDSS = 1200 V，保證在 ?40℃ 到 175℃ 的工作結(jié)溫范圍內(nèi)，最小擊穿電壓為 1200 V。
柵極-源極電壓的最大安全范圍為 +25 V/-15 V，而推薦的工作電壓范圍為 +20 V（開啟）和 -5 V（關(guān)斷）。這些值在所有三個(gè)產(chǎn)品型號中都是一致的。
數(shù)據(jù)表的最大額定值表中提供的電流額定值反映了這些模塊符合 ECPE 指南 AQG 324 [3]。這個(gè)值往往比傳統(tǒng)的分立 MOSFET ID 連續(xù)額定值更保守一點(diǎn)，ID 是根據(jù)公式 1 中給定的 RDS(on) 和 TJ(max) 以及熱阻值 RΘJC 通過純代數(shù)方法確定的結(jié)果。
（公式1）
在相關(guān)的數(shù)據(jù)表中，用戶可以參考圖 10 以查看作為外殼溫度函數(shù)的最大漏極電流，如公式 1 所示。由于數(shù)據(jù)表提供的電流額定值信息僅代表數(shù)據(jù)表編寫時(shí)所基于的條件，建議用戶使用特定于自身系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電路仿真來更仔細(xì)地評估模塊在特定應(yīng)用下的熱性能和損耗性能。
封裝熱性能
安森美利用計(jì)算流體動力學(xué)軟件來分析模塊和散熱片組件在各種邊界條件下的熱響應(yīng)，并通過測試來驗(yàn)證結(jié)果。圖 5 顯示了分析 ZΘJC 和 ZψJS 熱阻抗特性的概念思路。對于 ZΘJC，模塊底面在 100°C 下保持等溫，而對于 ZψJS 特性，邊界條件如圖 5 所示，即特定 TIM 厚度和電導(dǎo)率、鋁散熱片和等溫面。模塊數(shù)據(jù)表中提供的熱特性反映了這種經(jīng)過驗(yàn)證的組合測試和分析過程的結(jié)果。
圖 5.熱系統(tǒng)概念和示例結(jié)果
對于 MOSFET 的 5 引腳裸片型號，可以通過在一端使用連接到 TC 端子的 Cauer 熱網(wǎng)絡(luò)，并將基準(zhǔn)電源設(shè)置為系統(tǒng)變量 {temp} 來表示環(huán)境溫度或散熱片溫度，從而在仿真中觀察熱性能。數(shù)據(jù)表提供了熱等效電路的 Foster 網(wǎng)絡(luò) RC 值；表 1 提供了 Cauer 網(wǎng)絡(luò)等效 RC 值。
例如，圖 6 中的電路在 SIMetrix 中用于模擬 80 mΩ 裸片，通過簡單的激勵(lì)引起發(fā)熱，并使用上述的 Cauer 網(wǎng)絡(luò)來模擬 NVXK2TR40WXT 模塊的熱性能。其中顯示了接近封裝熱極限時(shí)的恒定直流漏極電流，柵極電壓 VGS = 20 V。這展示了與 Cauer 網(wǎng)絡(luò)的連接，并驗(yàn)證了數(shù)據(jù)表的圖 10 中所示的數(shù)據(jù)表 ID 限制，外殼溫度為 25°C。
表 1.熱阻抗 ZΘJC 的 CAUER 網(wǎng)絡(luò)
圖 7 所示的溫度響應(yīng)結(jié)果顯示直流電流值為 65、66、67、68 和 69 安培。電壓響應(yīng)以 °C 為單位表示結(jié)溫。這可以直接與 NVXK2TR40WXT 的數(shù)據(jù)表的圖 10 進(jìn)行比較，可以看出 68 A 的限制與仿真結(jié)果一致。
圖 6. 具有 40 mΩ 管芯的示例 Cauer 網(wǎng)絡(luò)
如果用戶有一個(gè)類似于圖 5 所示的結(jié)-散熱片的熱堆棧，則表 2 中給出了 NVXK2xx80WDT 和 NVXK2TR40WXT 模塊的“歸一化”結(jié)-散熱片 Cauer 網(wǎng)絡(luò)熱阻 (Rn) 和熱電容 (Cn)。要將此 Cauer 網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為“去歸一化”網(wǎng)絡(luò)來表示 RψJS 的數(shù)據(jù)表值或客戶指定的值，只需將 Rn 值乘以所需的 RψJS，并將 Cn 值除以相同的 RψJS，如公式 2 所示。由此產(chǎn)生的 RC 值將產(chǎn)生具有適當(dāng)時(shí)間常數(shù)和所需穩(wěn)態(tài)值 RψJS 的瞬態(tài)熱阻抗曲線。
（公式2）
要將去歸一化的 ZψJS 網(wǎng)絡(luò)正確連接到 SiC MOSFET 型號，只需使用公式 2 計(jì)算出的值，替換圖 6 中所示的 ZΘJC 特性的梯形網(wǎng)絡(luò)值，系統(tǒng)將根據(jù) ZψJS 產(chǎn)生熱響應(yīng)。
圖 7. 對直流電流范圍的溫度響應(yīng)
表 2. 用于歸一化熱阻抗 ZψJS 的 CAUER 網(wǎng)絡(luò)
表 2 的 Cauer 網(wǎng)絡(luò) RC 值對應(yīng)于圖 8 中所示的兩條歸一化瞬態(tài)熱阻抗曲線。請注意，歸一化過程強(qiáng)制這些曲線具有 1.0°C/W 的穩(wěn)態(tài)值。當(dāng)根據(jù)公式 2 執(zhí)行“去歸一化”時(shí)，用戶將獲得所需的穩(wěn)態(tài)值（例如，根據(jù)數(shù)據(jù)表，NVXK2TR40WXT 的 RψJS 為 0.95°C/W）和正確的動態(tài)行為。
這些模塊包括一個(gè) NTC 熱敏電阻（TDK 部件編號 B57342V5103H060 [7]），其電阻與溫度特性如圖 9 所示?？梢愿鶕?jù)公式 3 通過電阻值來計(jì)算溫度（以攝氏度為單位）。
圖 8. 歸一化瞬態(tài)熱阻抗 ZψJS
NTC 電阻可以通過使用帶有外部電壓源和外部電阻器的分壓器來測量。
（公式3）
其中，T0 = 298，B 值從數(shù)據(jù)表 [7] 中獲?。ǖ湫椭禐?3650），R0 = 10 kΩ，而 R 是測量得到的取決于溫度的電阻值。在這些模塊中，T(R) 可取等于外殼溫度的值，表 1 中的 Cauer 網(wǎng)絡(luò)可用于實(shí)時(shí)估算結(jié)溫。
圖 9. NTC R?T 特性和從 R 計(jì)算出的溫度（B = 3950）
模塊和系統(tǒng)性能仿真
這些器件的用戶可以通過 www.onsemi.cn獲得模塊中使用的 SiC MOSFET 裸片的仿真模型。這些 SIMetrix、pSpice 和 LTSpice 模型可以與封裝的等效電路模型相結(jié)合，以生成非常準(zhǔn)確的電路行為仿真。這使設(shè)計(jì)人員能夠在與柵極驅(qū)動電路和構(gòu)成完整 OBC 系統(tǒng)的任何其他相關(guān)電路相結(jié)合時(shí)，以非常切合實(shí)際的方式評估模塊的性能。
表 3 提供了芯片模型的交叉對照，應(yīng)從 www.onsemi.cn下載這些模型以填充模塊模型。圖 10 和圖 11 分別顯示了雙半橋模塊和 VIENNA 模塊的外部引腳和芯片端子之間模塊中每條路徑的等效串聯(lián)電感和電阻值。這些等效封裝模型源自 Spice 模型，該模型是從 ANSYS Q3D [4] 表示模塊的完整 3D 幾何結(jié)構(gòu)和材料屬性生成的。
圖 10 表示雙半橋模塊 NVXK2TR80WDT 和 NVXK2TR40DXT 的簡化集總分布參數(shù)模型。圖 10 中所示的 MOSFET 是 80 mΩ 1200 V SiC MOSFET 的裸片模型，用于填充模塊中的四個(gè)芯片位置。
表 3. 模塊芯片模型對應(yīng)關(guān)系
*詳細(xì)型號未列
請注意，在圖 10 中，如果出現(xiàn)此類問題，可以向每個(gè)串聯(lián)電感添加一個(gè)高值并聯(lián)電阻器以幫助收斂。對于 40 mΩ NXVK2TR40WXT 和 80 mΩ NVXK2TR80WDT，可以認(rèn)為這些寄生 R 和 L 值相同。
圖 10. 雙半橋的簡化封裝模型
同樣，已使用NVXK2KR80WDT封裝的Q3D模型來確定Vienna模塊的集總參數(shù)模型，如圖11所示。功率器件和端子的標(biāo)記與數(shù)據(jù)表中的原理圖相同。請注意，所有電感均以nH為單位，電阻值（NTC除外）以μΩ或mΩ為單位。請注意，此電路是Q3D模型的簡化版，明顯缺少電容效應(yīng)，因此不會產(chǎn)生與真實(shí)器件甚至Q3D模型完全相同的波形動態(tài)。如果需要完整的Q3D模型，請聯(lián)系當(dāng)?shù)匕采冷N售辦事處進(jìn)行咨詢。
讀者可以將這些原理圖放在整個(gè) OBC 系統(tǒng)的 Spice 或 SIMetrix 仿真中，或者可以將這些模型與簡單測試臺的表示相結(jié)合，以測試模型的性能。從 www.onsemi.cn 獲得的 MOSFET 模型可以填充為 5 引腳模型以包括 TJ 和 TC 端子。這將使仿真成為耦合的電熱仿真，并為評估系統(tǒng)的電氣性能和熱性能提供盡可能高的準(zhǔn)確性。
圖 11. Vienna 模塊的簡化封裝模型
使用 SiC MOSFET 芯片、模塊電氣寄生效應(yīng)結(jié)合模塊熱阻抗模型進(jìn)行仿真演示，請考慮在圖 12 所示的 n-脈沖測試電路中配置的 NVXK2TR80WDT 模型。在這里，我們截取了原理圖的部分視圖，僅顯示模塊的一半，例如，兩個(gè)半橋之一，以使圖片更具可讀性。外部 800 V 直流電源用于通過經(jīng)典 2-脈沖配置中的半橋?yàn)殡姼胸?fù)載提供電流。使用了帶有 TJ 和 TC 端子的 NCV08N120SC1_5P 裸片模型，并為每個(gè)裸片包含了一個(gè)單獨(dú)的 Cauer 網(wǎng)絡(luò)，代表結(jié)至外殼熱阻。
開關(guān)結(jié)果如圖 13 - 15 所示，基準(zhǔn)溫度為 25°C。圖 13 顯示了三組開關(guān)事件（10 A、20 A 和 30 A）期間的溫度曲線，很容易看出在 11、23 和 35 μs 開始的開關(guān)事件期間的 EOFF 和 EON 效應(yīng)，以及高邊開關(guān) (U2) 體二極管在其電流再循環(huán)關(guān)斷期間的損耗。
圖 14 顯示了 Q2（低邊 MOSFET）的 20 A 關(guān)斷事件的詳細(xì)視圖，而圖 15 顯示了隨后的 20 A 開啟事件?？梢钥吹綎艠O和漏極波形在受到雜散電感的影響時(shí)的動態(tài)變化。
圖 12. n?脈沖電路 - NVXK2TR80WXT 的一半
模塊電氣隔離和貼裝指南
爬電距離和間隙
電氣隔離與模塊在應(yīng)用中的安全性和可靠性密切相關(guān)。IEC60664-1 [5] 是公認(rèn)的準(zhǔn)則，用于確定不同材料等級、污染程度、海拔和工作電壓下的爬電距離和間隙距離的最小安全值，以確保適當(dāng)?shù)碾姎飧綦x。爬電距離是指連續(xù)絕緣表面上兩個(gè)導(dǎo)電材料之間的距離，而間隙是指處于不同電位的兩個(gè)表面之間的線性隔空距離。確定爬電距離的依據(jù)是兩個(gè)導(dǎo)電部件之間的工作電壓的 rms 值。
請參閱 [5] 中的表 F.2、F.4 和 A.2 來確定瞬態(tài)過電壓的間隙、避免跟蹤故障的爬電距離，以及間隙的高度校正系數(shù)。
圖 13. Q1 和 Q2 的溫度響應(yīng)
圖 14. 20 A Q2 關(guān)斷波形
圖 15. 20 A Q2 開啟波形
為了在這些表中選擇適當(dāng)?shù)臈l目，我們將工作電壓定義為 1000 V，瞬態(tài)過電壓定義為 2500 V，材料組 I（相對漏電起痕指數(shù) CTI > 600 的環(huán)氧樹脂模制混合物）和污染度 2，使用案例 A（非均勻場）。這些條件產(chǎn)生了 IEC60664-1 中的以下參數(shù)：
● 最小爬電距離 (F.4) = 5.0 mm
● 最小間隙（2000m ASL，F(xiàn).2）= 1.5 mm
● 高度修正系數(shù)（5000m ASL，A.2）= 1.48
● 所需總間隙 = 1.5 mm x 1.48 = 2.22 mm
OBC 模塊旨在實(shí)現(xiàn)足夠的爬電距離，如圖 16 所示。觀察環(huán)氧樹脂模制混合物 (EMC) 的紅色表面，可以看到至少可以實(shí)現(xiàn) 12.1 毫米的爬電距離，從而允許散熱片的產(chǎn)生位置發(fā)生變化，如藍(lán)色箭頭所示。
圖 16. 可實(shí)現(xiàn)的爬電距離圖示
圖 17 說明了模塊設(shè)計(jì)的固有間隙。從引腳肩部到 EMC 頂面的最小間隙為 3.3 mm，這與任何散熱片表面可能達(dá)到的距離一樣近。這用藍(lán)色實(shí)線箭頭表示。在如圖 16 所示的帶有肩部的實(shí)際散熱片設(shè)計(jì)中，為了實(shí)現(xiàn)更高的爬電距離，大于 3.3 mm 的間隙是可能的，如藍(lán)色虛線箭頭所示。
圖 17. 可實(shí)現(xiàn)的間隙圖示
貼裝指南
通常，將模塊貼裝到用戶系統(tǒng)中的兩種方法如圖 18 所示。簡單來說，模塊可以先貼裝到散熱片上，然后裝到 PCB 上，或者先裝到 PCB 上，然后再貼裝到散熱片上。建議遵循方法 1，先裝到 PCB，然后再貼裝到散熱片，以便使用標(biāo)準(zhǔn)焊接工藝并避免選擇性焊接操作。
將模塊貼裝到散熱片時(shí)，用戶應(yīng)遵循表 4 中的建議，以避免對模塊造成機(jī)械損壞，尤其是因?qū)Π惭b螺釘施加過大扭矩而造成損壞。施加規(guī)定的扭矩時(shí)，散熱片上的鉆孔尺寸應(yīng)與螺釘規(guī)格完全匹配，散熱片表面應(yīng)通過去除毛刺和突起來實(shí)現(xiàn)平滑，以滿足平整度和粗糙度要求。散熱片表面平整度和粗糙度的定義如圖 20 所示。表 4 顯示了有關(guān)貼裝扭矩（假設(shè)是帶墊圈的 SEMS 型 M3 螺釘）、散熱片表面和 DBC 表面的平整度及散熱片表面的粗糙度的準(zhǔn)則。
表 4. 貼裝扭矩和平整度準(zhǔn)則
模塊貼裝順序如下所述，如圖 19 所示。
● 應(yīng)用熱界面材料 (TIM)
● 預(yù)擰 A 側(cè)（~30% 扭矩）
● 預(yù)擰 B 側(cè)（~30% 扭矩）
● 擰緊 B 側(cè)（全扭矩）
● 擰緊 A 側(cè)（全扭矩）
圖 18. 貼裝方法
圖 19. 樣品貼裝流程和 SEMS 螺釘
圖 20. 散熱片的平整度 (a) 和粗糙度 (b)
熱界面材料 (TIM) 應(yīng)用
TIM 應(yīng)用于散熱片和模塊之間，以降低接觸熱阻。用戶應(yīng)確保根據(jù) TIM 數(shù)據(jù)表（包括厚度 [m] 和熱導(dǎo)率 [W/mK]）薄而均勻地應(yīng)用 TIM。只需使用少量的化合物來填充金屬觸點(diǎn)之間的間隙空間，從而增加有效的導(dǎo)熱表面積。由于接觸面不是完全平整的，因此兩個(gè)固體接觸面之間會形成多個(gè)氣隙?？諝獾膶?dǎo)熱性差，會阻礙熱傳遞并限制有效接觸面積。熱界面材料 (TIM) 需要應(yīng)用于散熱片和模塊表面之間，以填充任何氣隙并實(shí)現(xiàn)低熱阻。以下是為特定應(yīng)用選擇 TIM 時(shí)的一般注意事項(xiàng)。選擇合適的 TIM 時(shí)，除了導(dǎo)熱性外，處理性能和返工性能也是重要的考慮因素。
● 高導(dǎo)熱性
● 接觸壓力低，易于分配
● 厚度極小
● 特性隨時(shí)間退化
● 對環(huán)境造成的影響
● 在應(yīng)用或移除過程中易于處理
雖然現(xiàn)在有許多不同性質(zhì)的熱界面材料可供選擇，但業(yè)界最常用的仍然是導(dǎo)熱膏。導(dǎo)熱膏由含有各種填料的硅油或烴油組成，這些填料具有良好的表面潤濕特性，即使在低安裝壓力下也能輕松流動以填充空隙。標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)熱化合物的導(dǎo)熱系數(shù)在 2.0 - 4.0 W/m-K 之間，而高端導(dǎo)熱化合物的導(dǎo)熱系數(shù)在 5.0 至 9.0 W/m-K 范圍內(nèi)甚至更高。作為替代方案，高導(dǎo)熱性石墨片可提供更高的可靠性和更高的熱性能，并且由于簡化了組裝過程而降低了總體成本。然而，熱阻取決于石墨片的厚度，選擇前應(yīng)檢查厚度和導(dǎo)熱系數(shù)。一種具有代表性的 TIM 是 Electrolube HTCP 導(dǎo)熱膏 [6]。
HTCP 是一種非固化、非硅酮導(dǎo)熱膏，適用于禁止使用硅酮的應(yīng)用，從而避免硅酮和低分子量硅氧烷遷移問題。它符合 RoHS?2 標(biāo)準(zhǔn)。表 5 顯示了 HTCP 的物理性質(zhì)。
表 5. ELECTROLUBE HTCP 的物理性質(zhì)
參考文獻(xiàn)
[1] Thandapani Thangavelu, Paramasivam Shanmugam, Karpagam Raj, “Modelling and control of VIENNA rectifier a single phase approach.” IET Power Electronics, 2015, Vol. 8, Iss. 12, pp. 2471?2482.
[2] Zhu, Yutong, “Vienna Rectifier with Gallium Nitride (GaN) Devices,” MS?ECE Thesis, University of Wisconsin?Madison, 2016.
[3] ECPE Guideline AQG 324, “Qualification of Power Modules for Use in Power Electronics Converter Units in Motor Vehicles,” European Center for Power Electronics e.V.
[4] Ansys Q3D Extractor Multiphysics Parasitic Extraction and Analysis Software, https://www.ansys.com/products/electronics/ansys?q3d?extractor
[5] IEC60664?1, “Insulation coordination for equipment within low?voltage systems ? Part 1: Principles, requirements, and tests.” 2nd Edition, 2004.
[6] HTCP Technical Bulletin, Issue: 11 January 2022. www.electrolube.com
[7] TDK Electronics, AG, “NTC thermistors for temperature measurement,” Data Sheet B573**V5, 2019.
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