OBC PFC車規(guī)功率器件結(jié)溫波動與功率循環(huán)壽命分析

應(yīng)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(wǎng)與車載電池之間的單向充電或雙向補能的車載電源設(shè)備，也得到了非常廣泛的應(yīng)用。相比車載主驅(qū)電控逆變器， 電源類OBC產(chǎn)品復(fù)雜度高，如何實現(xiàn)其高功率密度、高可靠性、高效率、高性價比等核心指標的優(yōu)化與平衡，一直是OBC不斷技術(shù)迭代與產(chǎn)品革新的方向。

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

功率器件可靠性基礎(chǔ)

功率器件的結(jié)溫(Tvj)波動與功率循環(huán)(PC)壽命，一直是工業(yè)界與學(xué)術(shù)界討論的重點。在軌道牽引、風(fēng)力發(fā)電(發(fā)電側(cè)低頻)、電梯變頻、和電動汽車主驅(qū)等應(yīng)用中，相關(guān)的研究已持續(xù)了幾十年，相關(guān)的標準與測試方法也趨于成熟。

功率循環(huán)(PC)壽命的本質(zhì)，其實是功率器件內(nèi)的不同封裝材料，在溫度變化時，由于自身CTE不匹配而產(chǎn)生的彼此機械應(yīng)力與疲勞損傷，進而產(chǎn)生材料間的分離和功率器件電氣失效等現(xiàn)象，如綁定線與DCB分離、綁定線與芯片上表面分開、芯片與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(huán)PC壽命對應(yīng)的可能失效位置示意圖

因此，功率器件自身的功率循環(huán)(PC)能力，和實際加載的溫度變化大小，共同決定了器件在應(yīng)用中功率循環(huán)(PC)壽命的多少。

不同的芯片和封裝材料及其工藝，對功率器件的功率循環(huán)(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(huán)(PC)能力，器件廠家一般會提供相應(yīng)產(chǎn)品的PC曲線或擬合公式，便于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(yīng)用筆記，介紹了如何利用PC曲線進行PC壽命(次數(shù))計算的基本思路，如圖2。

圖2：英飛凌關(guān)于PC和TC的AN

以上述應(yīng)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(yīng)用中IGBT的結(jié)溫Tvj波動(Tvjmax和ΔTvj)，再根據(jù)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(shù)。復(fù)雜工況可以通過加權(quán)平均或者雨流法等復(fù)雜算法，算出總的PC次數(shù)及其對應(yīng)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(yīng)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(jié)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(yè)內(nèi)最嚴酷的，如圖4)。因此，以車規(guī)模塊的AQG324可靠性標準為例，詳細規(guī)定了PC的測試方法（統(tǒng)一測試條件），以公平地對比不同器件的PC能力表現(xiàn)。二是，同樣的器件，失效概率(Failure Probability)不同，則PC曲線也不同。英飛凌一般按默認5%(業(yè)內(nèi)標桿)，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(jié)果的影響

以上，我們介紹了功率器件(IGBT模塊)可靠性的基礎(chǔ)。針對OBC應(yīng)用中的單管(Si或SiC)器件，上述思路同樣適應(yīng)，只是相應(yīng)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(shù)折算等而已，相關(guān)細節(jié)，我們會在下一篇的具體案例中分析與討論。

OBC應(yīng)用與PFC拓撲

車載OBC產(chǎn)品復(fù)雜度高，在OBC產(chǎn)品設(shè)計應(yīng)用中，要實現(xiàn)其高功率密度、高可靠性、高效率、高性價比等核心指標的優(yōu)化與平衡。為了滿足電網(wǎng)AC側(cè)輸入功率因素和諧波的要求，和DCDC的寬電壓/負載范圍，通常OBC采用一級獨立的功率因素矯正（PFC）電路，典型的車載OBC系統(tǒng)架構(gòu)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(xiàn)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(xiàn)脈動形式，帶來比較大的結(jié)溫Tvj波動(ΔTvj)。如上節(jié)所述，功率器件的結(jié)溫(Tvj)波動與功率循環(huán)(PC)壽命密切相關(guān)，設(shè)計車載OBC產(chǎn)品，評估功率器件PC壽命，不可避免需要分析功率器件的結(jié)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(yè)界越來越多的關(guān)注和重視。

圖5：OBC產(chǎn)品結(jié)構(gòu)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(wǎng)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(jié)合系統(tǒng)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，基于不同的功率器件特性，常見的開關(guān)頻率fsw從40kHz ~ 100kHz不等。

在單相圖騰柱PFC的慢管位置：有單向充電的二極管，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(wǎng)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(wǎng)充放電時，以三相全橋B6拓撲運行，在單相電網(wǎng)充放電或者V2L時，可選其中一組橋臂作為慢管工作，其他橋臂交錯或并聯(lián)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(yīng)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(guī)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，基于PLECS軟件，我們搭建了簡單的單相圖騰柱電路，結(jié)合英飛凌官網(wǎng)的車規(guī)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(guān)頻率fsw：60kHz

電網(wǎng)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(wǎng)電壓(V)和電流(A)及其驅(qū)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(wǎng)電流(A)的波形

如圖9和圖10所示，快管T1/D1屬于高頻硬開關(guān)，慢管Q3只是工頻導(dǎo)通。所以，快管的器件功率損耗包含開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，而慢管的器件功率損耗只有導(dǎo)通損耗。再加上器件自身的瞬態(tài)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(jié)溫Tvj波動，如圖11所示：

圖11：快管(T1/D1)和慢管(Q3)的結(jié)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(jié)溫Tvj波動。結(jié)合前面的仿真分析可知，快管位置T1/D1的損耗及結(jié)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(jié)溫Tvj波動，相關(guān)的影響因素較多，包括PFC系統(tǒng)參數(shù)、器件自身特性(開關(guān)特性、導(dǎo)通特性、熱阻特性)、及其換流FWD特性等，即相同器件下的可調(diào)節(jié)的自由度或可優(yōu)化的空間較大。

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

快管D1如果采用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(guī)格和熱阻Zthjc相關(guān)。

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

總結(jié)

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(jié)溫Tvj波動。那么，在實際OBC應(yīng)用中，如果結(jié)合英飛凌的車規(guī)產(chǎn)品，進行結(jié)溫Tvj波動的計算與PC壽命評估及其注意事項等，我們將在后續(xù)篇章中逐步深入與展開。