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不斷技術反覆運算與產品革新的方向。

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）波動與功率迴圈（PC）壽命的熱點應用話題，我們將以系列微信文章的形式，結合英飛淩最新的技術與產品，與大家一起分享。

張浩、李劭陽、李紀明、徐宇晅

功率器件的結溫（Tvj）波動與功率迴圈（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。

功率迴圈（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、綁定線與晶元上表面分開、晶元與DCB焊料分層、DCB與銅基板之間焊料退化等等，如圖1。

因此，功率器件自身的功率迴圈（PC）能力，和實際載入的溫度變化大小，共同決定了器件在應用中功率迴圈（PC）壽命的多少。

不同的晶元和封裝材料及其工藝，對功率器件的功率迴圈（PC）能力有著非常顯著的影響。 為了表徵，功率器件的功率迴圈（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。

以上述應用筆記中IGBT模組的PC曲線及其PC壽命計算為例，如圖3所示，典型IGBT功率模組的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演算法，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。

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（英飛凌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。 英飛淩一般按預設5%（業內標杆），而有些器件廠家可能是10%。

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採用一級獨立的功率因素矯正（PFC）電路，典型的車載OBC系統架構如圖5所示。 PFC級通過矯正輸入AC電流，保持和輸入電壓同相位的交流正弦波，在實現高功率因素的同時，功率器件流過同頻率的脈動電流，功率損耗呈現脈動形式，帶來比較大的結溫Tvj波動（ΔTvj）。 如上節所述，功率器件的結溫（Tvj）波動與功率迴圈（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。

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接入電網的制式（單相或三相或多相相容）、電池能量單向或雙向、電池電壓400V或800V，結合系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：有單向充電的二極體，也有V2X雙向需求的IGBT單管或者Si MOSFET單管方案。

如圖7，在單/三相電網相容的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。

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。

如圖8，基於PLECS軟體，我們搭建了簡單的單相圖騰柱電路，結合英飛凌官網的車規器件PLECS模型，進行了器件損耗與Tvj波動的模擬。

以單相6.6kW充電工況為例，模擬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

如圖9和圖10所示，快管T1/D1屬於高頻硬開關，慢管Q3隻是工頻導通。 所以，快管的器件功率損耗包含開關損耗和導通損耗，而慢管的器件功率損耗只有導通損耗。 再加上器件自身的瞬態熱阻Zthjc，以及器件週邊的熱阻與水溫等，就可以得到功率器件的結溫Tvj波動，如圖11所示：

由圖11，無論快管還是慢管，都存在50Hz的結溫Tvj波動。 結合前面的模擬分析可知，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系統參數、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，幾乎只與Rdson和熱阻Zthjc相關。
  
  
• 快管D1如果採用SiC/SBD，考慮到Erec很小，則情況與慢管Q3非常類似，也幾乎只與SiC/SBD電流規格和熱阻Zthjc相關。
  

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、和模擬了圖騰柱PFC的損耗和結溫Tvj波動。 那麼，在實際OBC應用中，如果結合英飛凌的車規產品，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。

文章來源：英飛凌汽車電子生態圈