【導讀】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)作為電網與車載電池之間的單向充電或雙向補能的車載電源設備，也得到了非常廣泛的應用。相比車載主驅電控逆變器， 電源類OBC產品複雜度高，如何實現其高功率密度、高可靠性、高效率
、高性價比等核心指標的優化與平衡，一直是OBC不斷技術迭代與產品革新的方向。

在上述OBC與可靠性的背景下，針對車規功率器件在PFC電路中的結溫(Tvj)波動與功率循環(PC)壽命的熱點應用話題，我們將以係列微信文章的形式，結合英飛淩最新的技術與產品
，與大家一起分享。

功率器件可靠性基礎

功率器件的結溫(Tvj)波動與功率循環(PC)壽命，一直是工業界與學術界討論的重點。在軌道牽引
、風力發電(發電側低頻)、電梯變頻
、和電動汽車主驅等應用中
，相關的研究已持續了幾十年，相關的標準與測試方法也趨於成熟。

功率循環(PC)壽命的本質，其實是功率器件內的不同封裝材料
，在溫度變化時，由於自身CTE不匹配而產生的彼此機械應力與疲勞損傷
，進而產生材料間的分離和功率器件電氣失效等現象，如綁定線與DCB分離、綁定線與芯片上表麵分開、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PC壽命對應的可能失效位置示意圖

因此，功率器件自身的功率循環(PC)能力，和實際加載的溫度變化大小，共同決定了器件在應用中功率循環(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(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(PC)能力
，器件廠家一般會提供相應產品的PC曲線或擬合公式，便於計算不同工況下的器件PC壽命。

因此
，英飛淩有一篇專門的應用筆記，介紹了如何利用PC曲線進行PC壽命(次數)計算的基本思路，如圖2。

圖2：英飛淩關於PC和TC的AN

以上述應用筆記中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，通過實際應用中IGBT的結溫Tvj波動(Tvjmax和ΔTvj)，再根據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。複雜工況可以通過加權平均或者雨流法等複雜算法，算出總的PC次數及其對應的時間，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測試結果曲線，而不同器件廠家的PC測試方法可能是不同的(英飛淩的測試方法是業內最嚴酷的，如圖4)。因此，以車規模塊的AQG324可靠性標準為例
，詳細規定了PC的測試方法（統一測試條件），以公平地對比不同器件的PC能力表現。二是

，同樣的器件
，失效概率(Failure  Probability)不同，則PC曲線也不同。英飛淩一般按默認5%(業內標杆)，而有些器件廠家可能是10%。

圖4：不同的PC測試方法對PC測試結果的影響

以上
，我們介紹了功率器件(IGBT模塊)可靠性的基礎。針對OBC應用中的單管(Si或SiC)器件，上述思路同樣適應

，隻是相應的器件PC曲線稍有差異
，再增加一些針對單管特性的額外參數折算等而已，相關細節，我們會在下一篇的具體案例中分析與討論。

OBC應用與PFC拓撲

車載OBC產品複雜度高，在OBC產品設計應用中
，要實現其高功率密度
、高可靠性
、高效率、高性價比等核心指標的優化與平衡。為了滿足電網AC側輸入功率因素和諧波的要求，和DCDC的寬電壓/負載範圍
，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係統架構如圖5所示。PFC級通過矯正輸入AC電dian流liu，保bao持chi和he輸shu入ru電dian壓ya同tong相xiang位wei的de交jiao流liu正zheng弦xian波bo，在zai實shi現xian高gao功gong率lv因yin素su的de同tong時shi，功gong率lv器qi件jian流liu過guo同tong頻pin率lv的de脈mai動dong電dian流liu，功gong率lv損sun耗hao呈cheng現xian脈mai動dong形xing式shi，帶dai來lai比bi較jiao大da的de結jie溫wenTvj波動(ΔTvj)。如上節所述，功率器件的結溫(Tvj)波動與功率循環(PC)壽命密切相關，設計車載OBC產品，評估功率器件PC壽命，不可避免需要分析功率器件的結溫波動帶來的影響，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界越來越多的關注和重視。

圖5：OBC產品結構示意圖

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接入電網的製式(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，結合係統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，基於不同的功率器件特性，常見的開關頻率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，在三相電網充放電時，以三相全橋B6拓撲運行
，在單相電網充放電或者V2L時，可選其中一組橋臂作為慢管工作，其他橋臂交錯或並聯作為快管工作。

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，基於PLECS軟件，我們搭建了簡單的單相圖騰柱電路，結合英飛淩官網的車規器件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

開關頻率fsw：60kHz

電網電壓和電流：220Vac/32Arms

母線電壓：420Vdc

圖8：單相6.6kW圖騰柱PFC示意圖

圖9：電網電壓(V)和電流(A)及其驅動信號(T1/T2為快管、Q3/Q4為慢管)

圖10：快管(T1/D1)和慢管(Q3)損耗(W)波形與電網電流(A)的波形

如圖9和圖10所示，快管T1/D1屬於高頻硬開關
，慢管Q3隻zhi是shi工gong頻pin導dao通tong。所suo以yi
，快kuai管guan的de器qi件jian功gong率lv損sun耗hao包bao含han開kai關guan損sun耗hao和he導dao通tong損sun耗hao，而er慢man管guan的de器qi件jian功gong率lv損sun耗hao隻zhi有you導dao通tong損sun耗hao。再zai加jia上shang器qi件jian自zi身shen的de瞬shun態tai熱re阻zuZthjc
，以及器件外圍的熱阻與水溫等
，就可以得到功率器件的結溫Tvj波動，如圖11所示：

圖11：快管(T1/D1)和慢管(Q3)的結溫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的結溫Tvj波動。結合前麵的仿真分析可知
，快管位置T1/D1的損耗及結溫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)的結溫Tvj波動，相關的影響因素較多
，包括PFC係統參數、器件自身特性(開關特性、導通特性
、熱阻特性)
、及其換流FWD特性等，即相同器件下的可調節的自由度或可優化的空間較大。

●   慢管Q3(以CoolMOS為例)的結溫Tvj波動，幾乎隻與Rdson和熱阻Zthjc相關。

●   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
，也幾乎隻與SiC/SBD電流規格和熱阻Zthjc相關。

圖12：快管(T1/D1)和慢管(Q3)的結溫Tvj波動的影響因素

總結

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的損耗和結溫Tvj波動。那麼，在實際OBC應用中
，如果結合英飛淩的車規產品，進行結溫Tvj波動的計算與PC壽命評估及其注意事項等，我們將在後續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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