作者：李紀明、張浩、李劭陽、徐宇暄
應用背景：
隨著新能源汽車 (xEV) 的普及，車載充電機 (OBC) 得到了非常廣泛的應用。OBC 實現交流-直流的轉換，用於高壓電池充電，通常由兩級電路組成：PFC（完成 AC 功率因數校正和直流轉換）和 HV DCDC（完成 DC 電壓調整）。高功率密度、高可靠性、高效率、高性價比等核心指標一直是電源類產品包括 OBC 追求的目標，也是技術迭代與產品革新的方向。
針對OBC應用，英飛凌推出了一系列基於Si和SiC技術的元件，滿足了各種OBC應用需求。如果成本是最重要的參數，Trenchstop™ 5 IGBT是PFC級功率元件的首選；如果效率是最重要的參數，CoolSiC™ 技術則是PFC級功率元件的首選技術。
對於電動車車載充電器OBC來說，適當的效率和性能是關鍵。目前大多數OBC的效率要求是適中的，客戶對於高性價比方案的需求日益增加。英飛凌最新推出的車規級CoolSiC™ Hybrid混合單管器件650V AIKBE50N65RF5，正好滿足了這一市場需求。其優勢在於集成了一個50A TrenchStop™ 5 IGBT和一個30A CoolSiC™二極體。英飛凌TrenchStop™ 5是市場上公認的領先快速開關IGBT技術，而SiC二極體採用了一種先進的晶片貼裝方法，從而優化了熱性能。
一、SiC Hybrid混合單管元件目標應用領域
目前最廣泛使用的單級OBC拓撲由圖騰柱PFC+xLLC（或DAB）兩級組成，如圖1所示。其中圖騰柱PFC由一個高速半橋和一個工頻整流半橋組成，負責完成電網要求的功率因數校正功能以及後級所需的DC電壓調整；DC/DC變換器通常由隔離變壓器及其原副邊的兩個全橋組成，負責完成PFC級輸出電壓與高壓電池電壓之間的匹配。
圖1 OBC典型拓撲
前面提到，應用CoolSiC™混合單管元件，可以優化性價比。在具體應用中，例如圖騰柱PFC第一級，如圖2a所示，針對快管（高速半橋）位置的元件，RF5元件是理想的選擇。針對DC/DC原副邊功率元件的選擇，如圖2b所示，RF5同樣是合適的選擇，這裡是一個雙向DC/DC變換器的示例。這些位置要求功率二極體具有快速恢復特性，功率元件的開關能量需求低，以確保系統安全、可靠且高效地運行。後文將展開介紹元件的主要特性，特別是開關特性，以說明Hybrid元件是這種拓撲中功率元件的合適選擇。
圖2a 圖騰柱PFC，快管使用CoolSiC™ Hybrid方案
圖2b 高壓DC/DC，原副邊均使用CoolSiC™ Hybrid方案
二、車規CoolSiC™ Hybrid混合器件介紹
650V CoolSiC™ Hybrid混合分立元件是兩種公認的一流半導體技術的結合：TRENCHSETOP™ 5 IGBT和CoolSiC™肖特基二極體G6。與具有矽續流二極體的傳統雙封裝產品相比，這種組合顯著降低了開關損耗，並且即插即用，可以取代傳統的TRENCHSETOP™ 5 IGBT。共封裝二極體的標稱電流通常相對於IGBT進行規定，全額定二極體的額定電流與IGBT相似，半額定二極體的電流約為其50%。名稱中的字母「R」表示半額定電流碳化矽肖特基勢壘二極體。
目前車規級Hybrid產品組合有兩款產品，AIKW50N65RF5和AIKBE50N65RF5，分別是TO247-3和TO263-7兩種不同封裝形式的產品。兩者電氣特性差異主要體現在二極管電流和熱阻值，如圖3所示。IGBT F5具有非常低的開關損耗Eon和Eoff；SiC/SBD G6幾乎沒有反向恢復Erec，進一步減少了IGBT的Eon。TO263封裝具有開爾文Source腳，引腳寄生電感進一步降低，進一步優化了開關損耗Esw，電磁EMI性能也更加友善。
圖3 AIKW50N65RF5與AIKBE50E65RF5的區別
尤其特別的是，TO263封裝產品內部晶片與引線框架之間的焊接採用了英飛凌特有的.XT焊接技術，優化了熱阻參數，這一重要參數後面會再進一步說明。圖4總結了TO263封裝的AIKBE50N65RF5的主要特點。
圖4 AIKBE50N65RF5 的主要性能
三、CoolSiC™ Hybrid混合器件開關特性
PN 結二極體無法立即從導通狀態轉變為截止狀態。它們需要經歷一個過渡階段進行反向恢復：二極體的阻斷電壓上升時，會提取在導通期間積累於二極體晶片中的電子-電洞等離子體。這種被提取的等離子體稱為反向恢復電荷，並導致開關損耗。如圖 5 所示，顯然反向恢復會導致 IGBT 和二極體的損耗。部分損耗可直接歸因於反向恢復電荷（Qrr∙Vbus），部分則是由於電壓斜率的陡峭度降低。由於 SiC SBD 二極體在導通階段不會充滿電荷載子，因此它們不需要進行反向恢復，二極體恢復能量 Erec 完全被消除。SiC SBD 二極體的反向恢復速度遠快於 Si PN 二極體，與矽 PN 結二極體相比，這大大降低了開關損耗。在關斷能量 Eoff 基本不變的情況下，開通能量 Eon 顯著降低。圖 6 的模擬對比了不同二極體對開通能量 Eon 的影響，受益於 SiC SBD 二極體的使用，開通能量 Eon 降低了一半。
圖5 二極體反向恢復損耗
圖6 AIKBE50N65RF5 開通能量模擬，Eon降低一半
由開關能量的定義圖7可知，Eoff降低取決於運行條件：負載電流越低，開關速度越快，損耗降低就越顯著。圖8中提供的示例性模擬數據表明，使用AIKBE50N65RF5，即使將關斷能量（Eoff）減半也是可能的。實際應用中關斷能量Eoff受限於直流電壓、關斷電流、驅動電阻電容、寄生電感等參數影響。圖9所示模擬，對比了TO247-3和TO263-7器件的關斷Eoff，可見貼片器件的關斷損耗優於插件封裝器件。
圖7：IGBT開關能量示意圖
圖8：AIKBE50N65RF5關斷能量Eoff模擬
圖9 AIKBE50N65RF5/AIKW 50N65RF5關斷能量Eoff模擬對比
由以上對比可知，Hybrid貼片封裝元件的Eoff優於插件封裝元件，事實上即使對比最先進的SiC MOSFET™和CoolMOS™，Hybrid的Eoff性能也毫不遜色。圖10對比了不同技術元件的Eoff，可見Hybrid的Eoff與CoolMOS™相當，經過驅動優化後，Hybrid的關斷能量Eoff也可以大幅縮小與SiC MOSFET的差距。
圖10 CoolSiC™ Hybrid/CoolSiC™ MOSFET/CoolMOS™ 關斷能量Eoff對比
四、CoolSiC™ Hybrid混合器件熱阻特性
.XT技術消除了透過標準焊接工藝所見的典型限制。英飛凌率先採用擴散焊接工藝，透過封裝從晶片到散熱器建立了非常良好的熱連接。結合CoolSiC™，這可以透過將晶片的散熱能力提高30%或將工作溫度降低15K，將晶片的結-殼熱阻優化25%。還可以實現更高的電流輸出和更低的工作溫度，這不僅提高了系統輸出電流能力，還延長了元件的壽命。AIKBE50N65RF5使用了這項獨特的擴散焊接工藝，改善了元件的熱阻，提高了元件本體的性能、可靠性和壽命。下圖11對比了擴散焊接和傳統軟焊接工藝及其帶來的熱性能提升。
圖11 AIKBE50N65RF5 熱阻Rthjc/Zthjc 性能
總結
本文簡要描述了CoolSiC™ Hybrid混合功率元件在OBC中的典型應用。並結合模擬，介紹了AIKBE50N65RF5元件的相關性能，特別是OBC應用中關注的開關損耗議題。AIKBE50N65RF5在開關能量Esw和熱阻Rthjc兩方面的表現都非常優秀，其開關性能可與SiC MOSFET和CoolMOS™相媲美，非常適合用於OBC的PFC和xLLC/DAB拓撲中。綜合來看，CoolSiC™ Hybrid是OBC高壓功率元件選擇中最具性價比的選擇。
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