利用表面貼裝功率器件提高大功率電動(dòng)汽車電池的充電能力

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終端用戶希望新的電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)能夠最大限度地減少車輛的空閑時(shí)間，尤其是在長途駕駛中。電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)人員需要提高充電器的功率輸出、功率密度和效率，以實(shí)現(xiàn)終端用戶期望的快速充電。

目前，單個(gè)單元充電器的設(shè)計(jì)范圍是從7千瓦到30千瓦。將單個(gè)單元元件組合到模塊化設(shè)計(jì)中可以增加功率輸出，幫助充電器制造商實(shí)現(xiàn)占地面積更小、靈活性更高和可擴(kuò)展性的目標(biāo)。對有源功率元件使用先進(jìn)的隔離封裝，可實(shí)現(xiàn)更高的功率密度并顯著減少電路設(shè)計(jì)中的熱管理工作，從而解決大功率充電的挑戰(zhàn)。

電力公司面臨著額外的管理大負(fù)載的挑戰(zhàn)，這些大負(fù)載是由增加的電動(dòng)汽車使用的電動(dòng)汽車電池充電而產(chǎn)生的。公用事業(yè)單位正在研究兩項(xiàng)車輛到電網(wǎng)的技術(shù)：

V1G – 在這項(xiàng)稱為智能充電的技術(shù)中，公用事業(yè)單位通過兩種方式單獨(dú)分配能量，以將需求峰值降至最低;即通過控制電動(dòng)汽車開始充電的時(shí)間和供電的多少。

V2G – 雙向充電控制充電時(shí)間、功率和方向。例如，為了減少峰值需求，該公用事業(yè)單位可以將充滿電的電池中的一些電力拉回電網(wǎng)，然后將其供應(yīng)給另一輛車。V2G方法對于車隊(duì)來說可能非常具有成本效益，因?yàn)闉檎{(diào)峰做出貢獻(xiàn)將被認(rèn)為是一項(xiàng)有價(jià)值的服務(wù)。例如，大多數(shù)校車只在白天運(yùn)行，整晚都可以充電和共享電力。一支規(guī)模更大的車隊(duì)，比如美國運(yùn)營的50萬輛校車，可以被控制成高度分散的能源儲(chǔ)存。在美國暑假的100天空閑時(shí)間里，可用電池容量可以增長到GWh的水平。為了適應(yīng)V2G技術(shù)，現(xiàn)在的設(shè)計(jì)人員需要開發(fā)雙向充電器，這種充電器也可以為電網(wǎng)供電。

與簡單的單向充電器相比，雙向充電器的設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，需要更多的元件。還需要額外的努力來管理功耗和開發(fā)復(fù)雜的控制算法。

處理更高功率需要高功率半導(dǎo)體的先進(jìn)封裝

圖1顯示了一種雙向電源拓?fù)?，該拓?fù)湓?個(gè)半橋組中使用16個(gè)碳化硅功率MOSFET。為了實(shí)現(xiàn)更高的功率，電子設(shè)計(jì)人員可以并聯(lián)使用更多的離散功率FET；然而，這會(huì)使電力電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜化。分立功率FET封裝通常為D2PAK或TO-247封裝。當(dāng)設(shè)計(jì)功率級(jí)別超過30 kW時(shí)，先進(jìn)的隔離封裝提供了支持所需高輸出功率的元件。

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圖1：具有多級(jí)功率轉(zhuǎn)換的雙向充電器電路

與分立封裝不同，隔離封裝允許將多個(gè)封裝安裝到一個(gè)公共散熱器上。由于其外形小巧，與12毫米或17毫米功率模塊相比，它們通過最小化子單元的總高度，提供了更緊湊的設(shè)計(jì)。此外，使用具有高絕緣強(qiáng)度的頂部冷卻側(cè)，器件和散熱器之間不需要額外的隔離箔，使組裝過程更容易，成本更低。

圖2顯示了封裝選項(xiàng)及其功率處理能力。這些封裝選項(xiàng)根據(jù)輸出功率和散熱量以及印刷電路板(PCB)布局的復(fù)雜性和組裝難度進(jìn)行評(píng)級(jí)。表面貼裝功率器件(SMPD)為設(shè)計(jì)人員提供了功率能力、功耗以及易于布局和組裝的最佳組合。

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圖2.封裝功率能力與封裝性能的比較

SMPD封裝可實(shí)現(xiàn)更高功率密度

電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以使用SMPD來容納各種電壓等級(jí)和電路拓?fù)?包括半橋)的各種芯片技術(shù)。SMPD封裝的示例如圖3所示。SMPD封裝具有以下特點(diǎn)：

具有銅引線框架的直接銅鍵合 (DCB)基板，鋁鍵合線，半導(dǎo)體周圍的塑料模塑化合物。DCB結(jié)構(gòu)提供高隔離強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)了在單個(gè)載體上進(jìn)行具有高散熱能力的多半導(dǎo)體排列。DCB裸露的銅層最大限度地增加了散熱器連接的可用表面積。銅引線框架與鋁鍵合導(dǎo)線相結(jié)合，簡化了焊接和組裝。

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圖 3. 表面貼裝功率器件 (SMPD) 封裝的示例結(jié)構(gòu)(來源：Littelfuse )

本示例中的 SMPD 封裝設(shè)計(jì)具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

UL認(rèn)證，額定絕緣電壓高達(dá)2500 V

與其它半導(dǎo)體封裝(例如 TO 型器件)相比，熱阻更低。

SMPD 提供比 TO 型封裝更高的載流能力。

由于半導(dǎo)體芯片和散熱器之間的低寄生耦合電容，降低了輻射 EMI。

最大限度地利用半導(dǎo)體的能力，以及由于封裝的低雜散電感導(dǎo)致的低電壓過沖。

在啟用定制拓?fù)浞矫婢哂懈蟮撵`活性，包括晶閘管、功率二極管、MOSFET 和 IGBT。

由于背面隔離，所有功率半導(dǎo)體都可以安裝在單個(gè)散熱器上。

如圖4所示，SMPD封裝有兩個(gè)版本，即SMPD-X和SMPD-B。SMPD-X包含單個(gè)開關(guān)、單個(gè)二極管或Co-Pack，可以在一個(gè)封裝中滿足更高的功率需求。SMPD-B允許在各種電壓、電流和技術(shù)中構(gòu)建模塊，如各種拓?fù)渲械腗OSFET、IGBT和晶閘管。

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圖4：SMPD-X和SMPD-B封裝比較

兩個(gè)版本都具有相同的封裝尺寸，長度為25 mm，寬度為23 mm，并且具有共同的占地面積和安裝面積。

19英寸機(jī)架，具有兩個(gè)高度單元(2HU)，長度為880 mm，用于電動(dòng)汽車充電子單元，在行業(yè)中隨處可見。例如，當(dāng)使用薄型SMPD封裝時(shí)，與采用19英寸2HU機(jī)架配置的E2和E3封裝相比，該設(shè)計(jì)節(jié)省了約13%的體積，從而為功率磁件和去耦合電容器等無源元件提供了更大的空間。

圖5所示。減少所需的元件數(shù)量可實(shí)現(xiàn)更高的功率密度和更高的功率，并減小總體組裝尺寸。圖5所示的每個(gè)封裝包含了兩個(gè)功率MOSFET，這是SMPD封裝的多個(gè)電路配置中的一個(gè)示例。

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圖5.基于SMPD封裝的雙向充電器將元件數(shù)量減少了將近50%

如果要求目標(biāo)是更高的功率水平，SMPD還可用于IGBT和碳化硅MOSFET的單開關(guān)配置。一旦設(shè)計(jì)需要更高的電壓，就可以隨時(shí)選擇1700V及以上的封裝選項(xiàng)。

目標(biāo)：更小的封裝和更高的功率

通過采用SMPD封裝，設(shè)計(jì)人員可以提高電動(dòng)汽車充電器的功率，從而提高功率密度和效率。SMPD使設(shè)計(jì)人員能夠開發(fā)輸出功率高達(dá)50 kW的單功率單元，而無需并聯(lián)元件。使用SMPD功率元件有助于通過使用更少的元件來降低制造成本。表面貼裝封裝設(shè)計(jì)(如Littelfuse的設(shè)計(jì))，可以通過低熱阻封裝技術(shù)將散熱器尺寸和成本降至最低。使用這種封裝可以降低輻射和傳導(dǎo)EMI，并具有較低的寄生電容和雜散電感。設(shè)計(jì)人員還可以通過在更高頻率下工作來使用更小的電感器，從而進(jìn)一步節(jié)省空間和成本。

一句話：SMPD功率器件封裝使設(shè)計(jì)人員在不大幅增加系統(tǒng)尺寸和重量的情況下，增加了輸出功率。

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審核編輯：劉清