作者@@：张浩@@、李劭阳@@、李纪明@@、徐宇晅@@，来源@@：英飞凌@@汽车电子@@生态圈@@
应用背景@@
随着新能源汽车@@(xEV)在@@乘用车渗透率的@@逐步提升@@，车载@@充电机@@(OBC)作为电网@@与车载@@电池之间的@@单@@向充电或@@双向补能的@@车载@@电源设备@@@@，也得到了非常广泛的@@应用@@。相比车载@@主驱电控逆变器@@， 电源类@@OBC产品@@复杂度高@@，如@@何实现其高功率密度@@、高可靠性@@、高效率@@、高性价比等@@核心指标的@@优化与平衡@@，一直是@@OBC不断技术@@迭代与产品@@革新的@@方向@@。
在@@上述@@OBC与可靠性的@@背景下@@，针对@@车规功率器件@@@@在@@@@PFC电路@@中@@的@@结温@@@@(Tvj)波动@@与功率循环@@@@(PC)寿命@@的@@热点应用话题@@，我们将以@@系列微信文章的@@形式@@，结合英飞凌@@最新的@@技术@@与产品@@@@，与大家一起分享@@。
功率器件@@@@可靠性基础@@
功率器件@@@@的@@结温@@@@(Tvj)波动@@与功率循环@@@@(PC)寿命@@，一直是@@工业界与学术界讨论的@@重点@@。在@@轨道牵引@@、风力发电@@(发电侧低频@@)、电梯变频@@、和@@电动汽车主驱等@@应用中@@@@@@，相关@@的@@研究已持续了几十年@@，相关@@的@@标准与测试方法@@也趋于成熟@@。
功率循环@@(PC)寿命@@的@@本质@@，其实是功率器件@@@@内的@@不同@@封装材料@@，在@@温度变化时@@@@，由于自身@@CTE不匹配而产生的@@彼此机械应力与疲劳损伤@@，进而产生材料间的@@分离@@和@@功率器件@@@@电气失效等@@现象@@，如@@绑定线@@与@@DCB分离@@、绑定线@@与芯片上表面分开@@、芯片与@@DCB焊料分层@@、DCB与铜基板之间焊料退化等@@等@@@@，如@@图@@@@1。
图@@1：功率模块@@功率循环@@@@PC寿命@@对应的@@可能失效位置示意图@@@@@@
因此@@，功率器件@@@@自身的@@功率循环@@@@(PC)能力@@，和@@实际加载的@@温度变化大小@@，共同决定了器件@@在@@应用中@@@@功率循环@@@@(PC)寿命@@的@@多少@@。
不同@@的@@@@芯片和@@封装材料及其@@工艺@@，对功率器件@@@@的@@功率循环@@@@@@(PC)能力@@有着非常显著的@@影响@@。为了表征@@，功率器件@@@@的@@功率循环@@@@(PC)能力@@，器件@@厂家一般会提供相应产品@@的@@@@PC曲线@@@@或@@拟合公式@@@@，便于计算不同@@工况下的@@器件@@@@PC寿命@@。
因此@@，英飞凌@@有一篇专门的@@应用笔记@@，介绍了如@@何利用@@PC曲线@@@@进行@@PC寿命@@(次数@@)计算的@@基本思路@@，如@@图@@@@2。
图@@2：英飞凌@@关于@@PC和@@TC的@@AN
以@@上@@述应用笔记中@@@@IGBT模块@@的@@@@PC曲线@@@@及其@@@@PC寿命@@计算@@为例@@@@，如@@图@@@@3所示@@，典型@@IGBT功率模块@@的@@@@@@PC曲线@@@@，及其@@Ton时@@间的@@折算@@曲线@@@@@@，通过实际应用中@@@@@@IGBT的@@结温@@Tvj波动@@(Tvjmax和@@ΔTvj)，再根据@@Tvj波动@@周期进行@@Ton时@@间的@@折算@@，就可以@@得到单@@点工况的@@@@PC次数@@。复杂工况可以@@通过加权平均或@@者雨流法等@@复杂算法@@，算出总的@@@@PC次数@@及其@@对应的@@时@@间@@，即所谓的@@@@PC寿命@@。计算的@@思路比较简单@@@@，如@@果没有@@PC曲线@@@@，有对应的@@@@PC拟合公式@@，同样可以@@进行上述@@PC寿命@@计算@@。
图@@3：典型@@IGBT模块@@的@@@@PC曲线@@@@和@@@@Ton折算曲线@@@@@@
此处@@，需要特别说明两点@@：一是@@，不同@@的@@@@PC测试方法@@，会得到不同@@的@@@@@@PC测试结果曲线@@@@@@，而不同@@器件@@厂家的@@@@PC测试方法@@可能是不同@@的@@@@@@(英飞凌@@的@@测试方法@@@@是业内最严酷的@@@@，如@@图@@@@4)。因此@@，以@@车规模块@@的@@@@@@AQG324可靠性标准为例@@@@，详细规定了@@PC的@@测试方法@@@@（统一测试条件@@），以@@公平地对比不同@@器件@@的@@@@PC能力@@表现@@。二是@@，同样的@@器件@@@@，失效概率@@(Failure Probability)不同@@，则@@PC曲线@@@@也不同@@@@。英飞凌@@一般按@@默认@@5%(业内标杆@@)，而有些器件@@厂家可能是@@10%。
图@@4：不同@@的@@@@PC测试方法@@对@@PC测试结果的@@影响@@
以@@上@@，我们介绍了功率器件@@@@@@(IGBT模块@@)可靠性的@@基础@@。针对@@OBC应用中@@@@的@@@@单@@管@@@@(Si或@@SiC)器件@@，上述思路同样适应@@，只是相应的@@器件@@@@PC曲线@@@@稍有差异@@，再增加一些针对@@单@@管@@特性的@@额外参数折算等@@而已@@，相关@@细节@@，我们会在@@下一篇的@@具体案例中@@分析与讨论@@。
OBC应用与@@PFC拓扑@@
车载@@OBC产品@@复杂度高@@，在@@OBC产品@@设计应用中@@@@@@，要实现其高功率密度@@、高可靠性@@、高效率@@、高性价比等@@核心指标的@@优化与平衡@@。为了满足电网@@@@AC侧输入功率因素和@@谐波的@@要求@@，和@@DCDC的@@宽电压@@/负载范围@@，通常@@OBC采用一级独立的@@功率因素矫正@@（PFC）电路@@，典型@@的@@车载@@@@OBC系统架构如@@图@@@@@@5所示@@。PFC级通过矫正输入@@AC电流@@，保持和@@输入电压同相位的@@交流正弦波@@，在@@实现高功率因素的@@同时@@@@，功率器件@@@@流过同频率的@@脉动电流@@@@，功率损耗@@呈现脉动形式@@，带来比较大的@@结温@@@@Tvj波动@@(ΔTvj)。如@@上节所述@@，功率器件@@@@的@@结温@@@@(Tvj)波动@@与功率循环@@@@(PC)寿命@@密切相关@@@@，设计车载@@@@OBC产品@@，评估功率器件@@@@@@PC寿命@@，不可避免需要分析功率器件@@@@的@@结温@@@@波动@@带来的@@影响@@，这对车载@@@@OBC的@@长期可靠性评估尤为重要@@，这个话题也得到了业界越来越多的@@关注和@@重视@@。
图@@5：OBC产品@@结构示意图@@@@@@
目前主流的@@@@OBC拓扑@@，一般分为非隔离@@AC/DC的@@PFC(如@@单@@@@/双向图@@腾柱@@@@PFC，或@@两电平@@B6等@@)和@@隔离@@DC/DC的@@谐振电路@@@@(如@@LLC, CLLC, DAB等@@)两部分@@。按@@PFC接入电网@@的@@制式@@(单@@相@@或@@三相或@@多相兼容@@)、电池能量单@@向或@@双向@@、电池电压@@400V或@@800V，结合系统性能与成本指标等@@要求@@，具体的@@拓扑@@方案及器件@@选型都会有所不同@@@@。
以@@单@@相@@@@功率@@6.6kW的@@OBC 为例@@，下图@@是@@PFC的@@几种常见拓扑@@@@组合@@@@，如@@图@@@@6所示@@。
在@@单@@@@相图@@腾柱@@@@PFC的@@快管@@位置@@@@：既有两路@@IGBT单@@管@@交错@@，也有@@单@@路@@SiC MOSFET单@@管@@，或@@是单@@路混合型@@SiC单@@管@@(Si/IGBT+SiC/SBD)等@@，基于@@不同@@的@@@@功率器件@@@@特性@@，常见的@@开关频率@@@@fsw从@@40kHz ~ 100kHz不等@@@@。
在@@单@@@@相图@@腾柱@@@@PFC的@@慢管@@位置@@@@：有单@@向充电的@@二极管@@，也有@@V2X双向需求的@@@@IGBT单@@管@@或@@者@@Si MOSFET单@@管@@方案@@。
图@@6：单@@相@@6.6kW OBC PFC常见拓扑@@@@组合@@
如@@图@@@@7，在@@单@@@@/三相电网@@兼容的@@@@11kW OBC PFC中@@，基本以@@@@1200V SiC MOEFET单@@管@@的@@方案为主@@，在@@三相电网@@充放电时@@@@，以@@三相全桥@@B6拓扑@@运行@@，在@@单@@@@相电网@@充放电或@@者@@V2L时@@，可选其中@@一组桥臂作为慢管@@@@工作@@，其他桥臂交错或@@并联作为快管@@@@工作@@。
图@@7：单@@/三相兼容的@@@@11kW OBC PFC(3线@@/4线@@)常见拓扑@@@@
因此@@，在@@OBC应用中@@@@的@@@@PFC拓扑@@，主流就是单@@相@@图@@腾柱@@@@PFC和@@三相全桥@@B6这两种@@。
车规功率器件@@@@在@@单@@@@相图@@腾柱@@@@拓扑@@中@@的@@损耗@@分析与@@Tvj波动@@
如@@图@@@@8，基于@@PLECS软件@@，我们搭建了简单@@的@@单@@相@@图@@腾柱@@电路@@@@，结合英飞凌@@官网@@的@@车规器件@@@@PLECS模型@@，进行了器件@@损耗@@与@@Tvj波动@@的@@仿真@@@@。
以@@单@@相@@@@6.6kW充电工况为例@@@@，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
开关频率@@fsw：60kHz
电网@@电压@@和@@电流@@@@@@：220Vac/32Arms
母线@@电压@@：420Vdc
图@@8：单@@相@@6.6kW图@@腾柱@@PFC示意图@@@@
图@@9：电网@@电压@@(V)和@@电流@@@@(A)及其@@驱动信号@@(T1/T2为快管@@@@、Q3/Q4为慢管@@@@)
图@@10：快管@@(T1/D1)和@@慢管@@@@(Q3)损耗@@(W)波形与电网@@电流@@@@(A)的@@波形@@
如@@图@@@@9和@@图@@@@10所示@@，快管@@T1/D1属于高频硬开关@@，慢管@@Q3只是工频导通@@。所以@@@@，快管@@的@@器件@@功率损耗@@包含开关损耗@@和@@导通损耗@@@@，而慢管@@的@@器件@@功率损耗@@只有导通损耗@@@@。再加上器件@@自身的@@瞬态热阻@@Zthjc，以@@及器件@@外围的@@热阻与水温等@@@@，就可以@@得到功率器件@@@@的@@结温@@@@@@Tvj波动@@，如@@图@@@@11所示@@：
图@@11：快管@@(T1/D1)和@@慢管@@@@(Q3)的@@结温@@Tvj(̊C)波动@@和@@输入电流@@@@Iin_ac(A)
由图@@@@11，无论快管@@还是慢管@@@@，都存在@@@@50Hz的@@结温@@Tvj波动@@。结合前面的@@仿真@@分析可知@@，快管@@位置@@T1/D1的@@损耗@@及结温@@Tvj波动@@的@@影响因素@@，和@@慢管@@@@位置@@@@Q3的@@情况是不同@@的@@@@@@，如@@图@@@@12所示@@：
图@@12：快管@@(T1/D1)和@@慢管@@@@(Q3)的@@结温@@Tvj波动@@的@@影响因素@@
总结@@
综上所述@@，文章简要回顾了功率器件@@@@的@@@@PC寿命@@可靠性@@、分析了@@OBC中@@PFC主流拓扑@@@@、和@@仿真@@了图@@腾柱@@@@PFC的@@损耗@@和@@结温@@Tvj波动@@。那么@@，在@@实际@@OBC应用中@@@@，如@@果结合英飞凌@@的@@车规产品@@@@，进行结温@@Tvj波动@@的@@计算与@@PC寿命@@评估及其@@注意事项等@@@@，我们将在@@后续篇章中@@逐步深入与展开@@。