用于車載充電器應用的1200 V SiC MOSFET模塊使用指南

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)勢設計 OBC 系統(tǒng)。要注意的是，PFC 拓撲結構的變化非常顯著。設計人員正在采用基于 SiC MOSFET 的無橋 PFC 拓撲，因為它有著卓越的開關性能和較小的反向恢復特性。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 技術的汽車模塊設計領域表現(xiàn)出色，現(xiàn)在推出了一系列 SiC MOSFET 模塊以改進 OBC 設計，包括使用 1200 V SiC 器件的 PFC 和 DC/DC 模塊。本應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 電路拓撲結構，這些拓撲結構在 EV 市場中受到廣泛關注。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 給出了這三個模塊的封裝信息摘要和原理圖。

圖 1. 典型模塊應用：帶 Vienna 整流器 PFC 級的單向車載充電器

圖 2. 替代模塊應用：使用多個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. 模塊設計變化

應用信息

安森美和公開的技術文獻提供了重要的設計資源，有助于汽車 OBC 設計人員在各種電路拓撲中正確使用 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 諧振轉換器設計

●   TND6318/D 車載充電器 (OBC) LLC 轉換器

●   AND9957/D 車載充電器 (OBC) 三相 PFC 轉換器

●   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

另有相關的指南可為工程師在開發(fā)復雜系統(tǒng)（例如汽車 OBC）的建模方面提供幫助：

●   AND9783/D 如何將物理和可擴展模型與 SIMetrix、OrCAD 和 LTSpice 結合使用

●   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用筆記，它們提供了相關產(chǎn)品在機械貼裝和 PCB 設計方面的有用信息：

●   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）

參考文獻中引用了 Thangavela 等人關于 PFC 的 Vienna 拓撲的優(yōu)秀論文 ^[1]，以及威斯康星大學麥迪遜分校的 Yutong Zhu 的碩士論文 ^[2]。

本文將重點介紹安森美 1200 V SiC MOSFET 模塊的技術細節(jié)，可用于實施上述參考文獻中詳細探討的 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（關斷）。這些值在所有三個產(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]。這個值往往比傳統(tǒng)的分立 MOSFET ID 連續(xù)額定值更保守一點，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)方法確定的結果。

（公式1）

在相關的數(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)表編寫時所基于的條件，建議用戶使用特定于自身系統(tǒng)設計的電路仿真來更仔細地評估模塊在特定應用下的熱性能和損耗性能。

封裝熱性能

安森美利用計算流體動力學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，并通過測試來驗證結果。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)過驗證的組合測試和分析過程的結果。

圖 5.熱系統(tǒng)概念和示例結果

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，并將基準電源設置為系統(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 RC 值；表 1 提供了 Cauer 網(wǎng)絡等效 RC 值。

例如，圖 6 中的電路在 SIMetrix 中用于模擬 80 mΩ 裸片，通過簡單的激勵引起發(fā)熱，并使用上述的 Cauer 網(wǎng)絡來模擬 NVXK2TR40WXT 模塊的熱性能。其中顯示了接近封裝熱極限時的恒定直流漏極電流，柵極電壓 V_GS = 20 V。這展示了與 Cauer 網(wǎng)絡的連接，并驗證了數(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

圖 7 所示的溫度響應結果顯示直流電流值為 65、66、67、68 和 69 安培。電壓響應以 °C 為單位表示結溫。這可以直接與 NVXK2TR40WXT 的數(shù)據(jù)表的圖 10 進行比較，可以看出 68 A 的限制與仿真結果一致。

圖 6. 具有 40 mΩ 管芯的示例 Cauer 網(wǎng)絡

如果用戶有一個類似于圖 5 所示的結-散熱片的熱堆棧，則表 2 中給出了 NVXK2xx80WDT 和 NVXK2TR40WXT 模塊的“歸一化”結-散熱片 Cauer 網(wǎng)絡熱阻 (R_n) 和熱電容 (C_n)。要將此 Cauer 網(wǎng)絡轉換為“去歸一化”網(wǎng)絡來表示 R_ψJS 的數(shù)據(jù)表值或客戶指定的值，只需將 R_n 值乘以所需的 R_ψJS，并將 C_n 值除以相同的 R_ψJS，如公式 2 所示。由此產(chǎn)生的 RC 值將產(chǎn)生具有適當時間常數(shù)和所需穩(wěn)態(tài)值 R_ψJS 的瞬態(tài)熱阻抗曲線。

（公式2）

要將去歸一化的 Z_ψJS 網(wǎng)絡正確連接到 SiC MOSFET 型號，只需使用公式 2 計算出的值，替換圖 6 中所示的 Z_ΘJC 特性的梯形網(wǎng)絡值，系統(tǒng)將根據(jù) Z_ψJS 產(chǎn)生熱響應。

圖 7. 對直流電流范圍的溫度響應

表 2. 用于歸一化熱阻抗 Z_ψJS 的 CAUER 網(wǎng)絡

表 2 的 Cauer 網(wǎng)絡 RC 值對應于圖 8 中所示的兩條歸一化瞬態(tài)熱阻抗曲線。請注意，歸一化過程強制這些曲線具有 1.0°C/W 的穩(wěn)態(tài)值。當根據(jù)公式 2 執(zhí)行“去歸一化”時，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 R_ψJS 為 0.95°C/W）和正確的動態(tài)行為。

這些模塊包括一個 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 通過電阻值來計算溫度（以攝氏度為單位）。

圖 8. 歸一化瞬態(tài)熱阻抗 Z_ψJS

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] 中獲取（典型值為 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)絡可用于實時估算結溫。

圖 9. NTC R?T 特性和從 R 計算出的溫度（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合，以生成非常準確的電路行為仿真。這使設計人員能夠在與柵極驅(qū)動電路和構成完整 OBC 系統(tǒng)的任何其他相關電路相結合時，以非常切合實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 幾何結構和材料屬性生成的。

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芯片位置。

表 3. 模塊芯片模型對應關系

*詳細型號未列

請注意，在圖 10 中，如果出現(xiàn)此類問題，可以向每個串聯(lián)電感添加一個高值并聯(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，因此不會產(chǎn)生與真實器件甚至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?shù)匕采冷N售辦事處進行咨詢。

讀者可以將這些原理圖放在整個 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、模塊電氣寄生效應結合模塊熱阻抗模型進行仿真演示，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-脈沖配置中的半橋為電感負載提供電流。使用了帶有 TJ 和 TC 端子的 NCV08N120SC1_5P 裸片模型，并為每個裸片包含了一個單獨的 Cauer 網(wǎng)絡，代表結至外殼熱阻。

開關結果如圖 13 - 15 所示，基準溫度為 25°C。圖 13 顯示了三組開關事件（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 開始的開關事件期間的 EOFF 和 EON 效應，以及高邊開關 (U2) 體二極管在其電流再循環(huán)關斷期間的損耗。

圖 14 顯示了 Q2（低邊 MOSFET）的 20 A 關斷事件的詳細視圖，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用中的安全性和可靠性密切相關。IEC60664-1 [5] 是公認的準則，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?shù)碾姎飧綦x。爬電距離是指連續(xù)絕緣表面上兩個導電材料之間的距離，而間隙是指處于不同電位的兩個表面之間的線性隔空距離。確定爬電距離的依據(jù)是兩個導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

圖 14. 20 A Q2 關斷波形

圖 15. 20 A Q2 開啟波形

為了在這些表中選擇適當?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，如藍色箭頭所示。

圖 16. 可實現(xiàn)的爬電距離圖示

圖 17 說明了模塊設計的固有間隙。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到的距離一樣近。這用藍色實線箭頭表示。在如圖 16 所示的帶有肩部的實際散熱片設計中，為了實現(xiàn)更高的爬電距離，大于 3.3 mm 的間隙是可能的，如藍色虛線箭頭所示。

圖 17. 可實現(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，以便使用標準焊接工藝并避免選擇性焊接操作。

將模塊貼裝到散熱片時，用戶應遵循表 4 中的建議，以避免對模塊造成機械損壞，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，散熱片上的鉆孔尺寸應與螺釘規(guī)格完全匹配，散熱片表面應通過去除毛刺和突起來實現(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 顯示了有關貼裝扭矩（假設是帶墊圈的 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則。

表 4. 貼裝扭矩和平整度準則

模塊貼裝順序如下所述，如圖 19 所示。

●   應用熱界面材料 (TIM)

●   預擰 A 側（~30% 扭矩）

●   預擰 B 側（~30% 扭矩）

●   擰緊 B 側（全扭矩）

●   擰緊 A 側（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) 應用

TIM 應用于散熱片和模塊之間，以降低接觸熱阻。用戶應確保根據(jù) TIM 數(shù)據(jù)表（包括厚度 [m] 和熱導率 [W/mK]）薄而均勻地應用 TIM。只需使用少量的化合物來填充金屬觸點之間的間隙空間，從而增加有效的導熱表面積。由于接觸面不是完全平整的，因此兩個固體接觸面之間會形成多個氣隙。空氣的導熱性差，會阻礙熱傳遞并限制有效接觸面積。熱界面材料 (TIM) 需要應用于散熱片和模塊表面之間，以填充任何氣隙并實現(xiàn)低熱阻。以下是為特定應用選擇 TIM 時的一般注意事項。選擇合適的 TIM 時，除了導熱性外，處理性能和返工性能也是重要的考慮因素。

●   高導熱性

●   接觸壓力低，易于分配

●   厚度極小

●   特性隨時間退化

●   對環(huán)境造成的影響

●   在應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熱膏。導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。標準導熱化合物的導熱系數(shù)在 2.0 - 4.0 W/m-K 之間，而高端導熱化合物的導熱系數(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，選擇前應檢查厚度和導熱系數(shù)。一種具有代表性的 TIM 是 Electrolube HTCP 導熱膏 [6]。

HTCP 是一種非固化、非硅酮導熱膏，適用于禁止使用硅酮的應用，從而避免硅酮和低分子量硅氧烷遷移問題。它符合 RoHS?2 標準。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

^[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.