緊湊型SiC模塊：高功率密度車載充電器的新選擇

芝能智芯出品

在電動化不斷加速的當下，車載充電器（OBC）的性能已成為影響電動車續航體驗與能源利用效率的關鍵因素。

傳統基于分立器件的設計在提升功率密度和縮小體積方面已接近極限，新的功率模塊化方案因而受到越來越多關注。

碳化硅（SiC）器件憑借其高效開關性能與熱特性，正在成為下一代OBC的重要推動力。

車載充電器作為電動汽車動力系統的關鍵部件，承擔著交流電轉換為直流電并為電池充電的功能。

根據電網的供電方式，OBC既需要支持3.6kW至7.5kW的單相輸入，也要適應11kW到22kW的三相輸入。在當前市場中，11kW成為平衡成本與效率的主流選擇，而22kW產品則多見于高端車型。

隨著車網互動（V2G）和車車互充（V2V）的興起，OBC更被要求實現雙向能量流動，進一步增加了設計復雜度。

傳統OBC通常采用分立式器件構建。以表面貼裝（SMD）器件為例，每個元件需要單獨通過PCB散熱或依靠熱界面材料精確固定在散熱器上。

隨著功率密度的提升，這種方式面臨熱管理壓力大、布板復雜和絕緣風險增加等難題。換言之，分立方案已難以兼顧緊湊化和高性能的雙重要求。

在架構層面，OBC主要存在模塊化和集中式兩種思路。

◎ 模塊化方案由三個單相模塊組成，雖然靈活，但需要更多元器件和額外的檢測電路，增加了成本和體積。

◎ 集中式方案則利用單一的三相AC/DC轉換器來同時支持單相和三相運行，顯著減少了元件數量，更符合高功率密度的需求，集中式架構正逐漸成為下一代OBC的首選。

在這種背景下，功率模塊化設計成為突破口。

相比分立器件，模塊不僅能集成更多功能，減少外圍器件，還能在布局上更加緊湊，提升散熱和隔離性能，從而為更高的功率密度創造條件。

OBC的發展受限于分立器件在散熱、絕緣和集成度方面的瓶頸，而模塊化與集中式架構為其在高功率密度和高效率方向的演進提供了基礎。

碳化硅器件的特性使其在OBC應用中具備天然優勢。ROHM的第4代SiC MOSFET通過溝槽結構實現了超低導通電阻，并擁有極低的米勒電容，從而能夠以更快的速度開關并顯著降低開關損耗。這種高效率不僅減少了能量浪費，還減輕了散熱系統的負擔。

在此基礎上，ROHM推出的HSDIP20模塊進一步擴展了EcoSiC?系列。

該模塊在全橋電路中集成了4個或6個SiC MOSFET，與分立方案相比具有更高的集成度和更優的熱管理能力。

模塊采用氮化鋁陶瓷層隔離散熱焊盤與MOSFET漏極，從而大幅降低結殼熱阻，省去了外部熱界面材料的復雜隔離工序。這一設計不僅提升了可靠性，還為系統緊湊化提供了支持。

在電氣設計上，模塊內部實現了隔離，簡化了外部電路的處理。開發者不再需要為單個器件設計復雜的絕緣措施，也無需額外進行電氣隔離測試。

這意味著開發周期縮短，風險降低，同時成本也得到控制。更重要的是，模塊內部緊湊的布局減少了PCB占用面積，使整體系統體積進一步縮小。

從性能來看，HSDIP20模塊的熱特性與開關特性尤為突出。

通過測試與仿真可以看到，該模塊在800V直流鏈路電壓下，無論溫度如何變化，開關損耗都保持在較低水平。

其在11kW雙向AC/DC變換級中的仿真結果顯示，在48kHz開關頻率和強制風冷條件下，效率接近99%，且僅考慮半導體損耗。

這意味著在實際應用中，系統能夠在高功率密度下保持極高效率，對電動車續航和充電速度都有直接幫助。

HSDIP20系列提供多種拓撲選擇，包括4合1、6合1和Six-pack模塊，涵蓋了不同功率范圍和應用場景。對于需要靈活應對單相與三相模式的應用，混合拓撲模塊則提供了低成本的圖騰柱PFC解決方案。

所有模塊均采用統一封裝形式，便于應用擴展，也符合車規級的AQG324標準，滿足了汽車產業對可靠性和一致性的嚴格要求。

從開發者角度來看，SiC模塊不僅降低了器件選型與布局的復雜性，還為未來更高功率OBC的設計預留了空間。通過優化內部結構和提升熱性能，模塊可在遠低于175℃的結溫下穩定運行，為進一步提升功率密度打下基礎。

電動化的深入發展要求車載充電器同時具備高效率、緊湊化和成本可控的特性。傳統分立器件已難以滿足這些要求，而以ROHM HSDIP20為代表的緊湊型SiC模塊正在成為解決之道。

通過將高性能SiC MOSFET集成到模塊中，并優化隔離、散熱與拓撲設計，OBC能夠在更小的體積內實現更高的功率密度和接近99%的效率，助于電動汽車提升續航和充電體驗，也為車網互動和雙向充電提供了可靠的硬件基礎。