【導讀】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展，對 SiC MOSFET 的需求也在增長。許多高壓分立 SiC MOSFET 已經上市


，工程師也在利用它們的性能優勢設計 OBC 係統。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於 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複特性。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麵的優勢。

安森美 (onsemi) 在使用 Si MOSFET 技術的汽車模塊設計領域表現出色，現在推出了一係列 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
，並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係列
，該係列最初的三款產品是：

●   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，用於提高電流處理能力。

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，有助於汽車 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：特性和驅動建議

●   HDBK853/D 功率因數校正手冊

●   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複雜係統（例如汽車 OBC）的建模方麵提供幫助：

●   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
，它們提供了相關產品在機械貼裝和 PCB 設計方麵的有用信息：

●   AND9922/D ASPM27 係列封裝組裝指南

●   AND90036/D DIP−26 係列：用於工業驅動器的新型壓鑄模功率集成模塊 (TMPIM)（第 8 頁及以後）

參考文獻中引用了 Thangavela 等人關於 PFC 的 Vienna 拓撲的優秀論文 ^[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
，可用於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℃ 的工作結溫範圍內
，最小擊穿電壓為 1200 V。

柵極-源極電壓的最大安全範圍為 +25 V/-15 V，而推薦的工作電壓範圍為 +20 V（開啟）和 -5 V（關斷）。這些值在所有三個產品型號中都是一致的。

數據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]。這個值往往比傳統的分立 MOSFET ID 連續額定值更保守一點，ID 是根據公式 1 中給定的 RDS(on) 和 TJ(max) 以及熱阻值 RΘJC 通過純代數方法確定的結果。

（公式1）

在相關的數據表中
，用戶可以參考圖 10 以查看作為外殼溫度函數的最大漏極電流
，如公式 1 suoshi。youyushujubiaotigongdedianliuedingzhixinxijindaibiaoshujubiaobianxieshisuojiyudetiaojian，jianyiyonghushiyongtedingyuzishenxitongshejidedianlufangzhenlaigengzaixidipinggumokuaizaitedingyingyongxiaderexingnenghesunhaoxingneng。

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
，並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。對於 ZΘJC
，模塊底麵在 100°C 下保持等溫，而對於 ZψJS 特性
，邊界條件如圖 5 所示，即特定 TIM 厚度和電導率、鋁散熱片和等溫麵。模塊數據表中提供的熱特性反映了這種經過驗證的組合測試和分析過程的結果。

圖 5.熱係統概念和示例結果

對於 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 熱網絡，並將基準電源設置為係統變量 {temp} 來表示環境溫度或散熱片溫度，從而在仿真中觀察熱性能。數據表提供了熱等效電路的 Foster 網絡 RC 值

；表 1 提供了 Cauer 網絡等效 RC 值。

例如，圖 6 中的電路在 SIMetrix 中用於模擬 80 mΩ 裸片，通過簡單的激勵引起發熱，並使用上述的 Cauer 網絡來模擬 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 網絡的連接，並驗證了數據表的圖 10 中所示的數據表 ID 限製
，外殼溫度為 25°C。

表 1.熱阻抗 ZΘJC 的 CAUER 網絡

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 的數據表的圖 10 進行比較，可以看出 68 A 的限製與仿真結果一致。

圖 6. 具有 40 mΩ 管芯的示例 Cauer 網絡

如果用戶有一個類似於圖 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 網絡熱阻 (R_n) 和熱電容 (C_n)。要將此 Cauer 網絡轉換為“去歸一化”網絡來表示 R_ψJS 的數據表值或客戶指定的值，隻需將 R_n 值乘以所需的 R_ψJS，並將 C_n 值除以相同的 R_ψJS，如公式 2 所示。由此產生的 RC 值將產生具有適當時間常數和所需穩態值 R_ψJS 的瞬態熱阻抗曲線。

（公式2）

要將去歸一化的 Z_ψJS 網絡正確連接到 SiC MOSFET 型號，隻需使用公式 2 計算出的值，替換圖 6 中所示的 Z_ΘJC 特性的梯形網絡值，係統將根據 Z_ψJS 產生熱響應。

圖 7. 對直流電流範圍的溫度響應

表 2. 用於歸一化熱阻抗 Z_ψJS 的 CAUER 網絡

表 2 的 Cauer 網絡 RC 值對應於圖 8 中所示的兩條歸一化瞬態熱阻抗曲線。請注意，歸一化過程強製這些曲線具有 1.0°C/W 的穩態值。當根據公式 2 執行“去歸一化”時
，用戶將獲得所需的穩態值（例如
，根據數據表
，NVXK2TR40WXT 的 R_ψJS 為 0.95°C/W）和正確的動態行為。

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。可以根據公式 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 值從數據表 [7] 中獲取（典型值為 3650），R₀ = 10 kΩ
，而 R 是測量得到的取決於溫度的電阻值。在這些模塊中，T(R) 可取等於外殼溫度的值，表 1 中的 Cauer 網絡可用於實時估算結溫。

圖 9. NTC R−T 特性和從 R 計算出的溫度（B = 3950）

模塊和係統性能仿真

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動電路和構成完整 OBC 係統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模型。圖 10 中所示的 MOSFET 是 80 mΩ 1200 V SiC MOSFET 的裸片模型，用於填充模塊中的四個芯片位置。

表 3. 模塊芯片模型對應關係

*詳細型號未列

請注意，在圖 10 中
，如果出現此類問題，可以向每個串聯電感添加一個高值並聯電阻器以幫助收斂。對於 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模塊的集總參數模型
，如圖11所示。功率器件和端子的標記與數據表中的原理圖相同。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，因此不會產生與真實器件甚至Q3D模型完全相同的波形動態。如果需要完整的Q3D模型
，請聯係當地安森美銷售辦事處進行谘詢。

讀者可以將這些原理圖放在整個 OBC 係統的 Spice 或 SIMetrix 仿真中，或者可以將這些模型與簡單測試台的表示相結合，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

，並為評估係統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-脈衝測試電路中配置的 NVXK2TR80WDT 模型。在這裏，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 直流電源用於通過經典 2-脈衝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
，並為每個裸片包含了一個單獨的 Cauer 網絡，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 顯示了隨後的 20 A 開啟事件。可以看到柵極和漏極波形在受到雜散電感的影響時的動態變化。

圖 12. n−脈衝電路 - 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
，用於確定不同材料等級、汙染程度、海(hai)拔(ba)和(he)工(gong)作(zuo)電(dian)壓(ya)下(xia)的(de)爬(pa)電(dian)距(ju)離(li)和(he)間(jian)隙(xi)距(ju)離(li)的(de)最(zui)小(xiao)安(an)全(quan)值(zhi)，以(yi)確(que)保(bao)適(shi)當(dang)的(de)電(dian)氣(qi)隔(ge)離(li)。爬(pa)電(dian)距(ju)離(li)是(shi)指(zhi)連(lian)續(xu)絕(jue)緣(yuan)表(biao)麵(mian)上(shang)兩(liang)個(ge)導(dao)電(dian)材(cai)料(liao)之(zhi)間(jian)的(de)距(ju)離(li)
，而(er)間(jian)隙(xi)是(shi)指(zhi)處(chu)於(yu)不(bu)同(tong)電(dian)位(wei)的(de)兩(liang)個(ge)表(biao)麵(mian)之(zhi)間(jian)的(de)線(xian)性(xing)隔(ge)空(kong)距(ju)離(li)。確(que)定(ding)爬(pa)電(dian)距(ju)離(li)的(de)依(yi)據(ju)是(shi)兩(liang)個(ge)導(dao)電(dian)部(bu)件(jian)之(zhi)間(jian)的(de)工(gong)作(zuo)電(dian)壓(ya)的(de) rms 值。

請參閱 ^[5] 中的表 F.2
、F.4 和 A.2 來確定瞬態過電壓的間隙、避免跟蹤故障的爬電距離，以及間隙的高度校正係數。

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的條目，我們將工作電壓定義為 1000 V，瞬態過電壓定義為 2500 V，材料組 I（相對漏電起痕指數 CTI > 600 的環氧樹脂模製混合物）和汙染度 2，使用案例 A（非均勻場）。這些條件產生了 IEC60664-1 中的以下參數：

●   最小爬電距離 (F.4) = 5.0 mm

●   最小間隙（2000m ASL，F.2）= 1.5 mm

●   高度修正係數（5000m ASL

，A.2）= 1.48

●   所需總間隙 = 1.5 mm x 1.48 = 2.22 mm

OBC 模塊旨在實現足夠的爬電距離，如圖 16 所示。觀察環氧樹脂模製混合物 (EMC) 的紅色表麵，可以看到至少可以實現 12.1 毫米的爬電距離，從而允許散熱片的產生位置發生變化，如藍色箭頭所示。

圖 16. 可實現的爬電距離圖示

圖 17 說明了模塊設計的固有間隙。從引腳肩部到 EMC 頂麵的最小間隙為 3.3 mm
，這與任何散熱片表麵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
，為了實現更高的爬電距離，大於 3.3 mm 的間隙是可能的
，如藍色虛線箭頭所示。

圖 17. 可實現的間隙圖示

貼裝指南

通常，將模塊貼裝到用戶係統中的兩種方法如圖 18 所示。簡單來說
，模塊可以先貼裝到散熱片上
，然後裝到 PCB 上
，或者先裝到 PCB 上，然後再貼裝到散熱片上。建議遵循方法 1，先裝到 PCB，然後再貼裝到散熱片
，以便使用標準焊接工藝並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(zhong)的(de)建(jian)議(yi)

，以(yi)避(bi)免(mian)對(dui)模(mo)塊(kuai)造(zao)成(cheng)機(ji)械(xie)損(sun)壞(huai)


，尤(you)其(qi)是(shi)因(yin)對(dui)安(an)裝(zhuang)螺(luo)釘(ding)施(shi)加(jia)過(guo)大(da)扭(niu)矩(ju)而(er)造(zao)成(cheng)損(sun)壞(huai)。施(shi)加(jia)規(gui)定(ding)的(de)扭(niu)矩(ju)時(shi)，散(san)熱(re)片(pian)上(shang)的(de)鑽(zuan)孔(kong)尺(chi)寸(cun)應(ying)與(yu)螺(luo)釘(ding)規(gui)格(ge)完(wan)全(quan)匹(pi)配(pei)，散(san)熱(re)片(pian)表(biao)麵(mian)應(ying)通(tong)過(guo)去(qu)除(chu)毛(mao)刺(ci)和(he)突(tu)起(qi)來(lai)實(shi)現(xian)平(ping)滑(hua)，以(yi)滿(man)足(zu)平(ping)整(zheng)度(du)和(he)粗(cu)糙(cao)度(du)要(yao)求(qiu)。散(san)熱(re)片(pian)表(biao)麵(mian)平(ping)整(zheng)度(du)和(he)粗(cu)糙(cao)度(du)的(de)定(ding)義(yi)如(ru)圖(tu) 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）、散熱片表麵和 DBC 表麵的平整度及散熱片表麵的粗糙度的準則。

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。

●   應用熱界麵材料 (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)

熱界麵材料 (TIM) 應用

TIM 應用於散熱片和模塊之間，以降低接觸熱阻。用戶應確保根據 TIM 數據表（包括厚度 [m] 和熱導率 [W/mK]）薄而均勻地應用 TIM。zhixushiyongshaoliangdehuahewulaitianchongjinshuchudianzhijiandejianxikongjian，congerzengjiayouxiaodedaorebiaomianji。youyujiechumianbushiwanquanpingzhengde，yincilianggegutijiechumianzhijianhuixingchengduogeqixi。kongqidedaorexingcha，huizuairechuandibingxianzhiyouxiaojiechumianji。rejiemiancailiao (TIM) 需要應用於散熱片和模塊表麵之間，以填充任何氣隙並實現低熱阻。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

，易於分配

●   厚度極小

●   特性隨時間退化

●   對環境造成的影響

●   在應用或移除過程中易於處理

雖(sui)然(ran)現(xian)在(zai)有(you)許(xu)多(duo)不(bu)同(tong)性(xing)質(zhi)的(de)熱(re)界(jie)麵(mian)材(cai)料(liao)可(ke)供(gong)選(xuan)擇(ze)
，但(dan)業(ye)界(jie)最(zui)常(chang)用(yong)的(de)仍(reng)然(ran)是(shi)導(dao)熱(re)膏(gao)。導(dao)熱(re)膏(gao)由(you)含(han)有(you)各(ge)種(zhong)填(tian)料(liao)的(de)矽(gui)油(you)或(huo)烴(ting)油(you)組(zu)成(cheng)
，這(zhe)些(xie)填(tian)料(liao)具(ju)有(you)良(liang)好(hao)的(de)表(biao)麵(mian)潤(run)濕(shi)特(te)性(xing)，即(ji)使(shi)在(zai)低(di)安(an)裝(zhuang)壓(ya)力(li)下(xia)也(ye)能(neng)輕(qing)鬆(song)流(liu)動(dong)以(yi)填(tian)充(chong)空(kong)隙(xi)。標(biao)準(zhun)導(dao)熱(re)化(hua)合(he)物(wu)的(de)導(dao)熱(re)係(xi)數(shu)在(zai) 2.0 - 4.0 W/m-K 之間
，而高端導熱化合物的導熱係數在 5.0 至 9.0 W/m-K fanweineishenzhigenggao。zuoweitidaifangan，gaodaorexingshimopianketigonggenggaodekekaoxinghegenggaoderexingneng
，bingqieyouyujianhualezuzhuangguochengerjiangdilezongtichengben。raner，rezuqujueyushimopiandehoudu，xuanzeqianyingjianzhahouduhedaorexishu。yizhongjuyoudaibiaoxingde TIM 是 Electrolube HTCP 導熱膏 [6]。

HTCP 是一種非固化
、非矽酮導熱膏
，適用於禁止使用矽酮的應用，從而避免矽酮和低分子量矽氧烷遷移問題。它符合 RoHS−2 標準。表 5 顯示了 HTCP 的物理性質。

表 5. ELECTROLUBE HTCP 的物理性質

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.

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