在当今追求零碳社会的大背景下，交通工具的电动化进程至关重要。在这一进程中，更轻、更高效的电子元器件发挥着不可或缺的作用，车载充电器（OBC）便是其中的典型代表。那么，紧凑型传递模塑功率模块究竟如何满足当前车载充电器（OBC）的需求呢？
电动交通领域正经历着日新月异的发展。为了提高车辆的自主性和续航里程，电驱动力总成系统变得越来越高效和紧凑。作为电动交通发展进程中的关键组成部分，车载充电器（OBC）必须在保持高效的同时，尽可能实现小型轻量化，并且还要将成本控制在限定范围内。
OBC 主要用于交流充电，需要由电网（充电桩）提供单相或三相电压。单相充电功率范围为 3.6kW~7.5kW，三相充电功率则支持 11kW~22kW。目前，市场上的主流 OBC 产品为了兼顾成本和效率，多以中等功率范围（11kW）为主，而 22kW 的 OBC 则主要应用于高端市场。不过，所有 OBC 都必须支持单相充电，以确保在功率受限的情况下仍能为车辆充电。此外，为了实现车辆到电网（V2G）和车辆到车辆（V2V）的充电解决方案，OBC 具备双向充电功能的需求也日益增加。
迄今为止，传统 OBC 的设计主要采用市场上的标准分立器件（THD 或 SMD 封装）。对于 SMD 器件来说，由于需要通过 PCB 散热或使用合适的热界面材料将每个独立封装精密地固定在散热器上进行散热，存在诸多挑战。这种方案在功率密度提升和系统紧凑性方面已接近极限，而功率模块在新一代产品中则展现出显著的优势。
OBC 架构主要有两种，如图 1 所示：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。这两种架构均可通过单向和双向拓扑实现。模块化架构需要更多的元器件，这导致直流链路整体上对储能容量的要求提高，进而增加了体积和成本。此外，模块化架构还需要额外配置栅极驱动器和电压、电流检测功能。相比之下，集中式架构所需的元器件更少，能够实现更具成本效益的 OBC，因此已成为高功率密度 OBC 的架构。
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SiC 凭借其卓越的特性，成为非常适用于 OBC 的功率半导体材料。ROHM 的第 4 代 SiC MOSFET 采用沟槽结构，实现了超低导通电阻。其非常低的米勒电容可实现超快的开关速度，从而降低开关损耗。这些特性使得总损耗更低，进而减少了散热设计的负担。
ROHM 推出了专为 OBC 应用进行优化的新产品 ——HSDIP20 模块，进一步扩展了 EcoSiC?系列的 SiC MOSFET 产品阵容。该系列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，使得其结壳热阻（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。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（在分立器件方案中则必须考虑 PCB 上的爬电距离）。这种设计减小了 PCB 占用面积，同时提升了 OBC 解决方案的功率密度。
除了技术优势外，内部隔离功能还可大大简化开发人员的工作。模块内部已内置电气隔离功能，而对于采用分立器件的解决方案，则需要在外部处理隔离问题。模块在交付前已由 ROHM 进行了相关测试，因此在 OBC 开发阶段无需再进行额外的电气隔离测试。可见，该系列模块不仅可缩短开发周期并降低开发成本，同时还能降低出现绝缘问题的风险。
HSDIP20 模块还具有第 4 代 SiC MOSFET 带来的附加优势：其 0V 关断电压可降低 PCB 布局的复杂性和成本。如图 2 所示，在 800V 直流链路电压下，采用第 4 代 SiC MOSFET 的 HSDIP 模块在不同温度条件下均表现出较低的开关损耗。
HSDIP20 模块的另一个优势在于其可扩展性。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。目前可提供六款 4 合 1 拓扑模块和六款 6 合 1 拓扑模块。另外，ROHM 还推出一款采用 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。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。
为了验证 HSDIP 模块的优势，研发人员对器件进行了特性仿真和测试。在模块的热性能演示中，采用的是配备 36mΩ、1200V SiC MOSFET 的 Six-pack 模块。仿真基于安装在液冷板上的单个模块进行，设定条件为单芯片损耗在 25W 至 35W 之间，Ta=Tw=60°C，TIM 厚度为 20μm，热导率为 4.1W/mK。通过同时给芯片施加功率进行仿真，并根据仿真结果绘制出各器件的耗散功率与结温之间的关系曲线图（图 4）。
通过优化内部结构，该系列功率模块实现了非常低的单芯片热阻，在热性能方面具有显著优势。其结温远低于 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。
在模拟 OBC 应用中 AC/DC 变换级的测试板上，评估了采用 36mW、1200V SiC MOSFET 的 6 合 1 模块的开关损耗特性。图 2 中已给出通过该测试获得的开关损耗结果。通过对该模块进行双脉冲测试评估得到的开关损耗结果，同样适用于本文所探讨的双向 DC/AC 变换级的情况。基于该数据，对 11kW 系统的双向 DC/AC 变换级进行仿真（图 5）。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 11 kW AC/DC 变换级，在开关频率为 48 kHz 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）。
