适用于高功率密度车载充电器的紧凑型 SiC 模块

在电动汽车(EV)性能不断提升、续航里程持续增加的大趋势下，车载充电器(OBC)作为关键部件，面临着前所未有的挑战。更高的电池电压要求更快的充电速率，同时，设计上又需要实现更小体积、更轻重量以及更高的热效率。应对这些挑战，需从元件层面重新思考功率转换的实现方式。ROHM 半导体公司最新研发的 HSDIP20 封装的 4 合 1 和 6 合 1 SiC 塑封模块，为这一难题提供了全新的解决方案。该系列模块专为 OBC 中的功率因数校正(PFC)和 LLC 转换器电路以及其他高功率应用而设计，有望显著提升功率密度和热管理水平，这两个参数对于现代电动汽车系统至关重要。

传统 OBC 架构的困境

在传统的 OBC 架构中，采用顶部散热的分立 SiC MOSFET 一直是常用方案。然而，随着功率水平的不断提高，散热管理和保持紧凑的外形尺寸变得愈发困难。因为对于表面贴装器件(SMD)而言，需要通过印刷电路板(PCB)散热，或者使用合适的热界面材料将每个独立封装精确地固定在散热器上进行散热，这种方式在追求更高功率密度和系统紧凑性方面已接近极限。此外，OBC 主要有两种架构：一种是基于三个相同单相模块的模块化架构;另一种是基于一个三相 AC/DC 转换器(该转换器也支持单相运行)的集中式架构。模块化架构需要更多的元器件，这导致直流链路对储能容量的要求提高，进而增加了体积和成本，还需要额外配置栅极驱动器以及电压、电流检测功能。相比之下，集中式架构所需元器件更少，能够实现更具成本效益的 OBC，已成为高功率密度 OBC 的首选架构。

SiC 模块的技术突破

ROHM 推出的 HSDIP20 模块，为解决上述问题带来了曙光。SiC 材料凭借其卓越的特性，成为 OBC 功率半导体的理想选择。ROHM 的第 4 代 SiC MOSFET 采用沟槽结构，实现了超低导通电阻，同时其极低的米勒电容可实现超快的开关速度，有效降低开关损耗。这些特性使得总损耗更低，从而减轻了散热设计的负担。

HSDIP20 模块在全桥电路中集成了 4 个或 6 个 SiC MOSFET，与采用相同芯片技术的分立器件相比，具有诸多显著优势。该系列模块采用氮化铝(AlN)陶瓷将散热焊盘与 MOSFET 的漏极隔离，使得结壳热阻(Rth)非常低，无需使用热界面材料(TIM)对散热焊盘与散热器之间进行电气隔离。同时，得益于模具材料的应用，功率模块中的各芯片之间实现了电气隔离，这意味着芯片可以比分立器件方案布置得更加紧密(在分立器件方案中必须考虑 PCB 上的爬电距离)，这种设计减小了 PCB 占用面积，提升了 OBC 解决方案的功率密度。

从数据上来看，在 OBC 常用的 PFC 电路(采用 6 枚 SiC MOSFET)中，使用 6 枚顶部散热型分立器件与使用 1 枚 6 合 1 结构的 HSDIP20 模块在相同条件下进行比较后发现，HSDIP20 的温度比分立结构低约 38℃(25W 工作时)。并且，与顶部散热型分立器件相比，HSDIP20 的电流密度达到 3 倍以上;与同类型 DIP 模块相比，电流密度高达 1.4 倍以上，达到业界先进水平。在上述 PFC 电路中，HSDIP20 的安装面积与顶部散热型分立器件相比可减少约 52%。

简化开发流程，降低风险

除了技术优势外，HSDIP20 模块还在开发流程上为工程师提供了便利。由于模块内部已内置电气隔离功能，而采用分立器件的解决方案则需要在外部处理隔离问题，所以该系列模块不仅缩短了开发周期、降低了开发成本，同时还降低了出现绝缘问题的风险。

HSDIP20 模块还具有良好的可扩展性。ROHM 提供丰富的 RDS(on)规格和拓扑结构选择，使该系列模块可适用于不同功率范围的 OBC 应用。例如，ROHM 推出了一款采用 Six - pack 拓扑结构的 “混合型” 模块，该模块通过组合不同 RDS(on)的 MOSFET，为图腾柱 PFC 电路提供低成本解决方案，并可使用同一器件轻松实现单相和三相运行。而且，各种拓扑结构的模块均采用相同封装形式，应用扩展非常便捷，所有功率模块均符合 AQG324 标准。

在模块的热性能演示中，采用配备 36mΩ、1200V SiC MOSFET 的 Six - pack 模块，通过优化内部结构，实现了非常低的单芯片热阻，在热性能方面优势显著，其最高结温远低于 SiC MOSFET 允许的 175°C 限值，从而为提升功率密度创造了更大空间，可满足大功率 OBC 的严苛需求。通过对该模块进行双脉冲测试评估得到的开关损耗结果，同样适用于双向 DC/AC 变换级的情况。仿真结果表明，基于采用第 4 代 SiC MOSFET(36mΩ，1200V)的 6 合 1 模块构建的 11kW AC/DC 变换级，在开关频率为 48kHz 并使用强制风冷散热器的条件下，效率可达约 99%(该效率值仅考虑了半导体损耗)。

应用前景广阔

在电动汽车领域，为延长车辆的续航里程并提升充电速度，所采用的电池正朝着更高电压等级加速推进，同时，提升 OBC 和 DC - DC 转换器输出功率的需求也日益凸显。另一方面，市场还要求这些应用实现小型化和轻量化，其核心是提高功率密度，HSDIP20 模块正好迎合了这一市场趋势。

除了电动汽车的 OBC 应用，HSDIP20 模块还可应用于车载 DC - DC 转换器、电动压缩机等设备。在工业领域，其适用于 EV 充电桩、V2X 系统、AC 伺服器、服务器电源、PV 逆变器、功率调节器等。

随着汽车和基础设施电气化进程的加速，像 ROHM 的 HSDIP20 模块这样在元件级设计上的突破至关重要。通过突破散热和功率密度的限制，同时简化系统级设计，这些创新为更小、更快、更高效的电动汽车充电和功率转换系统铺平了道路。未来，随着技术的不断进步和完善，紧凑型 SiC 模块在高功率密度应用领域必将发挥更为重要的作用，推动整个行业迈向新的发展阶段。