PCIM2025論文摘要 | 基于英飛凌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
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*本論文摘要由PCIM官方授權發布
內容摘要
本文介紹了一種基于英飛凌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（Rth、Zth、熱耦合等）和電氣特性（系統雜散電感、電壓尖峰、開關損耗等）等方面進行和傳統封裝的SiC模塊的對比。最后，基于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并總結。
01
基于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 基于S-cell的嵌入式PCB方案的一種概念設計
圖2. 基于S-cell的嵌入式PCB方案的概念設計之一
基于目前PCB制造商的創新技術和工藝制程，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于S-cell的嵌入式PCB方案的概念設計，PCB正面用于電氣連接，PCB背面用于散熱連接。
02
基于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與布局
圖3. S-Cell PCB方案和傳統模塊方案的Setup與布局
2.2 S-Cell PCB方案和傳統模塊方案的Rth仿真對比
圖4. S-Cell PCB方案和傳統模塊方案的Rth仿真對比
2.3 S-Cell PCB方案和傳統模塊方案的Zth仿真對比
圖 5. S-Cell PCB方案和傳統模塊方案的Zth仿真對比
03
基于 S-cell的PCB方案的電氣性能分析
3.1 基于S-cell的PCB方案的系統雜散電感
基于S-cell的PCB方案，借助PCB的靈活布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Rg電阻，從而優化SiC MOSFET的開關特性：
（1）降低Vds峰值，降低Eoff損耗
（2）降低Vsd峰值，降低Eon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Esw的影響
圖6. 系統雜散電感對Esw的影響(SPICE仿真)
04
基于S-cell PCB方案的xEV逆變器系統分析
4.1 基于S-cell PCB方案(4x)與傳統模塊的PLECS仿真setup
4.2 峰值工況（100%*負載）PLECS仿真性能
基于S-cell的PCB方案相比傳統模塊，在40kV/us開關速度時，峰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
基于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Ansys、SPICE和PLECS仿真分析，相比傳統封裝的模塊，基于S-cell的PCB方案，Rth熱阻有4~21%的降低，開關損耗Esw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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