OBC PFC车规功率器件结温波动与功率循环寿命分析
作者：张浩、李劭阳、李纪明、徐宇晅
应用背景
随着新能源汽车(xEV)在乘用车渗透率的逐步提升，车载充电机(OBC)作为电网与车载电池之间的单向充电或双向补能的车载电源设备，也得到了非常广泛的应用。相比车载主驱电控逆变器， 电源类OBC产品复杂度高，如何实现其高功率密度、高可靠性、高效率、高性价比等核心指标的优化与平衡，一直是OBC不断技术迭代与产品革新的方向。
在上述OBC与可靠性的背景下，针对车规功率器件在PFC电路中的结温(Tvj)波动与功率循环(PC)寿命的热点应用话题，我们将以系列微信文章的形式，结合英飞凌最新的技术与产品，与大家一起分享。
功率器件可靠性基础
功率器件的结温(Tvj)波动与功率循环(PC)寿命，一直是工业界与学术界讨论的重点。在轨道牵引、风力发电(发电侧低频)、电梯变频、和电动汽车主驱等应用中，相关的研究已持续了几十年，相关的标准与测试方法也趋于成熟。
功率循环(PC)寿命的本质，其实是功率器件内的不同封装材料，在温度变化时，由于自身CTE不匹配而产生的彼此机械应力与疲劳损伤，进而产生材料间的分离和功率器件电气失效等现象，如绑定线与DCB分离、绑定线与芯片上表面分开、芯片与DCB焊料分层、DCB与铜基板之间焊料退化等等，如图1。
图1：功率模块功率循环PC寿命对应的可能失效位置示意图
因此，功率器件自身的功率循环(PC)能力，和实际加载的温度变化大小，共同决定了器件在应用中功率循环(PC)寿命的多少。
不同的芯片和封装材料及其工艺，对功率器件的功率循环(PC)能力有着非常显著的影响。为了表征，功率器件的功率循环(PC)能力，器件厂家一般会提供相应产品的PC曲线或拟合公式，便于计算不同工况下的器件PC寿命。
因此，英飞凌有一篇专门的应用笔记，介绍了如何利用PC曲线进行PC寿命(次数)计算的基本思路，如图2。
图2：英飞凌关于PC和TC的AN
以上述应用笔记中IGBT模块的PC曲线及其PC寿命计算为例，如图3所示，典型IGBT功率模块的PC曲线，及其Ton时间的折算曲线，通过实际应用中IGBT的结温Tvj波动(Tvjmax和ΔTvj)，再根据Tvj波动周期进行Ton时间的折算，就可以得到单点工况的PC次数。复杂工况可以通过加权平均或者雨流法等复杂算法，算出总的PC次数及其对应的时间，即所谓的PC寿命。计算的思路比较简单，如果没有PC曲线，有对应的PC拟合公式，同样可以进行上述PC寿命计算。
图3：典型IGBT模块的PC曲线和Ton折算曲线
此处，需要特别说明两点：一是，不同的PC测试方法，会得到不同的PC测试结果曲线，而不同器件厂家的PC测试方法可能是不同的(英飞凌的测试方法是业内最严酷的，如图4)。因此，以车规模块的AQG324可靠性标准为例，详细规定了PC的测试方法（统一测试条件），以公平地对比不同器件的PC能力表现。二是，同样的器件，失效概率(Failure Probability)不同，则PC曲线也不同。英飞凌一般按默认5%(业内标杆)，而有些器件厂家可能是10%。
图4：不同的PC测试方法对PC测试结果的影响
以上，我们介绍了功率器件(IGBT模块)可靠性的基础。针对OBC应用中的单管(Si或SiC)器件，上述思路同样适应，只是相应的器件PC曲线稍有差异，再增加一些针对单管特性的额外参数折算等而已，相关细节，我们会在下一篇的具体案例中分析与讨论。
OBC应用与PFC拓扑
车载OBC产品复杂度高，在OBC产品设计应用中，要实现其高功率密度、高可靠性、高效率、高性价比等核心指标的优化与平衡。为了满足电网AC侧输入功率因素和谐波的要求，和DCDC的宽电压/负载范围，通常OBC采用一级独立的功率因素矫正（PFC）电路，典型的车载OBC系统架构如图5所示。PFC级通过矫正输入AC电流，保持和输入电压同相位的交流正弦波，在实现高功率因素的同时，功率器件流过同频率的脉动电流，功率损耗呈现脉动形式，带来比较大的结温Tvj波动(ΔTvj)。如上节所述，功率器件的结温(Tvj)波动与功率循环(PC)寿命密切相关，设计车载OBC产品，评估功率器件PC寿命，不可避免需要分析功率器件的结温波动带来的影响，这对车载OBC的长期可靠性评估尤为重要，这个话题也得到了业界越来越多的关注和重视。
图5：OBC产品结构示意图
目前主流的OBC拓扑，一般分为非隔离AC/DC的PFC(如单/双向图腾柱PFC，或两电平B6等)和隔离DC/DC的谐振电路(如LLC, CLLC, DAB等)两部分。按PFC接入电网的制式(单相或三相或多相兼容)、电池能量单向或双向、电池电压400V或800V，结合系统性能与成本指标等要求，具体的拓扑方案及器件选型都会有所不同。
以单相功率6.6kW的OBC 为例，下图是PFC的几种常见拓扑组合，如图6所示。
在单相图腾柱PFC的快管位置：既有两路IGBT单管交错，也有单路SiC MOSFET单管，或是单路混合型SiC单管(Si/IGBT+SiC/SBD)等，基于不同的功率器件特性，常见的开关频率fsw从40kHz ~ 100kHz不等。
在单相图腾柱PFC的慢管位置：有单向充电的二极管，也有V2X双向需求的IGBT单管或者Si MOSFET单管方案。
图6：单相6.6kW OBC PFC常见拓扑组合
如图7，在单/三相电网兼容的11kW OBC PFC中，基本以1200V SiC MOEFET单管的方案为主，在三相电网充放电时，以三相全桥B6拓扑运行，在单相电网充放电或者V2L时，可选其中一组桥臂作为慢管工作，其他桥臂交错或并联作为快管工作。
图7：单/三相兼容的11kW OBC PFC(3线/4线)常见拓扑
因此，在OBC应用中的PFC拓扑，主流就是单相图腾柱PFC和三相全桥B6这两种。
车规功率器件在单相图腾柱拓扑中的损耗分析与Tvj波动
如图8，基于PLECS软件，我们搭建了简单的单相图腾柱电路，结合英飞凌官网的车规器件PLECS模型，进行了器件损耗与Tvj波动的仿真。
以单相6.6kW充电工况为例，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
开关频率fsw：60kHz
电网电压和电流：220Vac/32Arms
母线电压：420Vdc
图8：单相6.6kW图腾柱PFC示意图
图9：电网电压(V)和电流(A)及其驱动信号(T1/T2为快管、Q3/Q4为慢管)
图10：快管(T1/D1)和慢管(Q3)损耗(W)波形与电网电流(A)的波形
如图9和图10所示，快管T1/D1属于高频硬开关，慢管Q3只是工频导通。所以，快管的器件功率损耗包含开关损耗和导通损耗，而慢管的器件功率损耗只有导通损耗。再加上器件自身的瞬态热阻Zthjc，以及器件外围的热阻与水温等，就可以得到功率器件的结温Tvj波动，如图11所示：
图11：快管(T1/D1)和慢管(Q3)的结温Tvj(̊C)波动和输入电流Iin_ac(A)
由图11，无论快管还是慢管，都存在50Hz的结温Tvj波动。结合前面的仿真分析可知，快管位置T1/D1的损耗及结温Tvj波动的影响因素，和慢管位置Q3的情况是不同的，如图12所示：
· 快管T1(以IGBT为例)的结温Tvj波动，相关的影响因素较多，包括PFC系统参数、器件自身特性(开关特性、导通特性、热阻特性)、及其换流FWD特性等，即相同器件下的可调节的自由度或可优化的空间较大。
· 慢管Q3(以CoolMOS为例)的结温Tvj波动，几乎只与Rdson和热阻Zthjc相关。
· 快管D1如果采用SiC/SBD，考虑到Erec很小，则情况与慢管Q3非常类似，也几乎只与SiC/SBD电流规格和热阻Zthjc相关。
图12：快管(T1/D1)和慢管(Q3)的结温Tvj波动的影响因素
总结
综上所述，文章简要回顾了功率器件的PC寿命可靠性、分析了OBC中PFC主流拓扑、和仿真了图腾柱PFC的损耗和结温Tvj波动。那么，在实际OBC应用中，如果结合英飞凌的车规产品，进行结温Tvj波动的计算与PC寿命评估及其注意事项等，我们将在后续篇章中逐步深入与展开。
