基於英飛凌 S-cell 產品的嵌入式 PCB 方案在主驅逆變器應用的優勢分析與研究

來源 英飛凌汽車電子生態圈

* 本論文摘要由 PCIM 官方授權發佈

內容摘要

本文介紹了一種基於英飛凌 S-cell 產品（1.2kV/SiC）的嵌入式 PCB 方案的新型功率模塊概念。 利用 Ansys 和 SPICE 仿真，在熱阻（R _th 、Z _th 、熱耦合等）和電氣特性（系統雜散電感、電壓尖峯、開關損耗等）等方面進行和傳統封裝的 SiC 模塊的對比 。最後，基於 PLECS 進行器件建模和逆變電路搭建，結合典型工況進行了詳細的仿真分析並總結。

01. 基於 S-cell 的嵌入式 PCB 方案介紹

1.1 英飛凌 S-cell 產品技術的介紹

英飛凌 S-cell LV MOSFET 產品已在 xEV 應用的 48V 系統中量產。為了將類似技術推廣到 xEV 主逆變器應用中，高壓版的 1200V 車載碳化硅芯片 S-cell 產品的基本結構，如下：

圖 1. 英飛凌 1200V/SiC S-cell 產品基本結構

1.2 基於 S-cell 的嵌入式 PCB 方案的一種概念設計

圖 2. 基於 S-cell 的嵌入式 PCB 方案的概念設計之一

基於目前 PCB 製造商的創新技術和工藝製程，有多種不同 S-cell 嵌入式 PCB 方案與設計。 圖 2 所示的是其中的一種基於 S-cell 的嵌入式 PCB 方案的概念設計 ，PCB 正面用於電氣連接，PCB 背面用於散熱連接。

02. 基於 S-Cell 的 PCB 方案的熱性能分析

2.1 S-Cell PCB 方案和傳統模塊方案的 Setup 與佈局

圖 3. S-Cell PCB 方案和傳統模塊方案的 Setup 與佈局

2.2 S-Cell PCB 方案和傳統模塊方案的R _th 仿真對比

圖 4. S-Cell PCB 方案和傳統模塊方案的 R _th 仿真對比

2.3 S-Cell PCB 方案和傳統模塊方案的 Z _th 仿真對比

圖 5. S-Cell PCB 方案和傳統模塊方案的 Z _th 仿真對比

03. 基於 S-cell 的 PCB 方案的電氣性能分析

3.1 基於 S-cell 的 PCB 方案的系統雜散電感

基於 S-cell 的 PCB 方案，借助 PCB 的靈活佈局和表貼式的吸收電容，能顯著降低系統的雜散電感(2nH~5nH），可用更小 R _g 電阻，從而優化 SiC MOSFET 的開關特性：

（1）降低 V _ds 峯值，降低 E _離開 損耗

（2）降低 V _sd 峯值，降低 E _在 損失

（3）能支持更高的電池電壓系統

3.2 SPICE 仿真分析系統雜散電感對 E _sw 的影響

圖 6. 系統雜散電感對 E sw 的影響（SPICE 仿真）

04. 基於 S-cell PCB 方案的 xEV 逆變器系統分析

4.1 基於 S-cell PCB 方案 (4x) 與傳統模塊的 PLECS 仿真 setup

4.2 峯值工況（100%*負載）PLECS 仿真性能

基於 S-cell 的 PCB 方案相比傳統模塊，在 40kV/us 開關速度時，峯值工況可獲得約最多約 16% 的輸出電流能力提升。

圖 7. 逆變器輸出電流能力的對比（PLECS 仿真）

4.3 輕載工況（20%*負載）PLECS 仿真性能

基於 S-cell 的 PCB 方案相比傳統模塊，在 40kV/us 開關速度時，輕載工況可獲得最多約 0.14% 的輕載效率提升。

圖 8. 逆變器輕載效率的對比（PLECS 仿真）

結論

本文利用 安賽斯 、SPICE 和 PLECS 仿真分析，相比傳統封裝的模塊，基於 S-cell 的 PCB 方案，R _th 熱阻有 4~21% 的降低，開關損耗 E _sw 有 4~60% 的優化；在逆變器系統層面，有 3~16% 的輸出電流增加和 0.08~0.14% 的輕載效率提高。

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