高功率OBC中SiC器件封装对比分析

随着电动汽车对充电速度与续航能力要求的提升，车载充电器（OBC）正朝着更高功率密度、更小体积和更高效率方向发展。在这一趋势下，碳化硅（SiC）等宽禁带（WBG）半导体器件因其优异的开关特性，已成为主流选择。然而，仅依靠材料升级已不足以满足设计目标，封装技术的选择同样至关重要。本文聚焦于两电平PFC级中分立器件与集成式功率模块的性能对比，重点分析其在热管理、尺寸优化和系统成本方面的差异。

在OBC架构中，PFC级不仅用于提升功率因数、降低电网谐波污染，还支持双向能量流动（V2G/V2H），是实现高效、合规充电的核心环节。当前，两电平B6拓扑因结构简单、元件数量少而被广泛采用。本文以基于SiC器件的11kW三相PFC为研究对象，对比了分立封装HiP247与集成式DMT-32功率模块的实现方案。

从物理布局看，功率模块在空间利用上优势显著。如图1所示，DMT-32采用全桥配置，将多个SiC MOSFET和二极管集成于单一模块内，大幅减少了PCB占用面积。表1和表2数据显示，在相同功率等级下，功率模块方案可减少约40%的PCB空间，有利于实现紧凑型设计。

图1. DMT-32集成式功率模块，具有全桥配置

在热性能方面，集成模块的绝缘散热底板提供了更低的热阻路径。图2和图3的热网络模型表明，DMT-32的结到壳热阻（Rth,jc）优于分立方案。实验结果显示，在相同开关频率下，功率模块可减少25%的散热器体积；或在更高开关频率下保持等效温升，从而进一步缩小磁性元件尺寸。

 图2. HiP247封装的热网络

 图3. 集成式功率模块的热网络

为评估无源器件影响，研究设定了70kHz和140kHz两种开关频率。根据表1规范，频率加倍可使PFC扼流圈体积减少50%（见图4与图5）。然而，高频运行会增加开关损耗，导致分立器件温升加剧，需更大散热器补偿。相比之下，功率模块凭借更优的热分布和更低寄生参数，能在高频下维持更高效率。

表1. PFC设计规范

图4. 70kHz PFC扼流圈设计

图5. 140kHz PFC扼流圈设计

实验平台基于同一数字控制算法（运行于32位MCU），确保比较的公平性。图6和图7展示了15kW HiP247分立方案与11kW DMT-32模块方案的原型。测试结果验证了理论分析：在满载工况下，功率模块方案的整体损耗降低约12%，且热点温度更低，热分布更均匀。

图6. 基于HiP247 SiC器件的15kW PFC参考设计（用于实验测试）

 图7. 基于DMT32 SiC功率模块的11kW OBC参考设计（用于实验测试）

此外，功率模块的标准化接口简化了制造与维护流程，降低了EMI调试难度。尽管其初始成本较高，但通过缩减散热器、磁性元件和PCB面积，系统级BOM成本可实现平衡。