【導(dǎo)讀】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。
作者:張浩、李劭陽、李紀明、徐宇晅
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