為更高功率密度的 EV,車載充電器OBC 指明路線圖

汽車行業(yè)的高度動(dòng)態(tài)性意味著電動(dòng)汽車 車載充電器 (OBC)的設(shè)計(jì)人員面臨著一系列不斷變化的目標(biāo)，因?yàn)榕c效率和電網(wǎng)集成相關(guān)的法規(guī)不斷受到審查和更新。

為了保持領(lǐng)先地位，設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在正在追求雄心勃勃的目標(biāo)，例如提高 OBC 高功率密度水平的重要性。如果昨天最先進(jìn)的密度低于 2 kW/L，那么當(dāng)前的設(shè)計(jì)正朝著 4 kW/L 發(fā)展，并假設(shè)到本世紀(jì)末增加到 6 kW/L 以上。制定長(zhǎng)期實(shí)現(xiàn)這一數(shù)字的路線將是多方面的，需要新型電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體和封裝板載組件的創(chuàng)新。

在本文中，英飛凌評(píng)估了 OBC 設(shè)計(jì)人員面臨的直接挑戰(zhàn)，并討論了他們使用 WBG 設(shè)備方式的變化。它還考慮了熱管理設(shè)備封裝和組裝技術(shù)如何有助于顯著提高 OBC 功率密度，然后介紹兩種參考設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)突破了當(dāng)前可達(dá)到的功率密度水平的界限，并可以為未來(lái)如何實(shí)現(xiàn)更高水平提供指導(dǎo)。

車載充電器：設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

OBC 在 EV 中的作用是將交流電網(wǎng)電力轉(zhuǎn)換為直流電壓，為牽引電池充電。不使用時(shí)，它會(huì)在車輛內(nèi)四處運(yùn)輸，其尺寸和重量會(huì)對(duì)車輛行駛里程產(chǎn)生負(fù)面影響。OBC 設(shè)計(jì)人員面臨六個(gè)關(guān)鍵且相互關(guān)聯(lián)的挑戰(zhàn)：

· 需要更高功率的課程

· 提高功率密度以減小 EV OBC 的尺寸和重量以擴(kuò)大范圍

· 最大限度地提高效率以實(shí)現(xiàn)更高的功率密度并縮短充電時(shí)間

· 雙向運(yùn)行以提供電網(wǎng)穩(wěn)定性和備份

· 提高電池電壓(從 400 V 到 800 V)以減少電流和電纜和連接器上的相關(guān)發(fā)熱

· 平衡性能和成本

WBG 器件拓?fù)涞难葑?

設(shè)計(jì)人員已經(jīng)成功地利用 WBG 技術(shù)的卓越功能來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，但他們?nèi)绾问褂眠@些技術(shù)仍在不斷發(fā)展。

更高功率的等級(jí)正在導(dǎo)致不斷變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和解決方案的實(shí)施方式。例如，設(shè)計(jì)人員越來(lái)越多地轉(zhuǎn)向有源高效整流器和快速開關(guān)拓?fù)洌蕴岣哂性雌骷墓β拭芏炔p少電感器和電容器等無(wú)源元件。此外，此處提供的寬電壓也很重要，它可以覆蓋不同的電池電壓以及設(shè)計(jì)中的原生三相拓?fù)洹?

封裝創(chuàng)新：頂部冷卻

大功率表面貼裝電子器件的熱傳導(dǎo)路徑通常是從元件垂直向下朝向印刷電路板 (PCB)，印刷電路板 (PCB) 與冷板粘合——即所謂的“底部冷卻”(BSC) ) — 但這會(huì)在熱性能和 PCB 使用之間產(chǎn)生折衷。英飛凌開發(fā)了創(chuàng)新封裝，允許分立半導(dǎo)體和功率 IC 進(jìn)行頂部冷卻 (TSC)，并在 OBC 設(shè)計(jì)中提供額外優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于 BSC，通常將冷板連接到 PCB 的底部。這可以防止組件被放置在電路板的一側(cè)，從而有效地將可達(dá)到的功率密度減半。半導(dǎo)體器件與 PCB 熱粘合，這意味著它們?cè)谂c電路板相同的溫度下工作。由于 PCB 的最高工作溫度 (Tg) 低于大多數(shù)功率器件的工作溫度，因此無(wú)法充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。

借助 TSC，將冷板粘合到功率組件的頂部，從而允許將組件放置在 PCB 的兩側(cè)，并使 WBG 設(shè)備能夠在其整個(gè)溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。雖然絕緣金屬基板 (IMS) 可以提高性能，但其中許多解決方案變成了多板組件，僅將 IMS 用于功率器件，將 FR4 用于驅(qū)動(dòng)器和無(wú)源元件，顯著增加了設(shè)計(jì)和制造的復(fù)雜性。

半導(dǎo)體結(jié)和冷板之間的熱阻是決定導(dǎo)熱能力的關(guān)鍵熱設(shè)計(jì)參數(shù)。TSC 的熱模擬表明它比 BSC 好 35%，并且提供比 IMS 背面冷卻更好的熱性能，但還節(jié)省了額外的成本。由于 TSC 允許將所有組件放置在單面、雙面 PCB 上，因此可以將器件直接放置在其驅(qū)動(dòng)器的對(duì)面，從而顯著降低 PCB 寄生效應(yīng)并提高系統(tǒng)性能，同時(shí)減少功率組件上的電應(yīng)力量。

英飛凌的QDPAK 器件旨在利用 TSC 的優(yōu)勢(shì)，這些器件提供的多項(xiàng)特性使其適用于各種應(yīng)用。它們還易于組裝，標(biāo)稱尺寸為 20.96 × 15.00 毫米，整個(gè)系列的高度一致為 2.3 毫米。

QDPAK 器件可消耗高達(dá) 35 W 的大量功率(取決于熱接口和整個(gè)冷卻系統(tǒng))，并具有多個(gè)專用于漏極和源極連接的引腳，使其成為大電流應(yīng)用的理想選擇。它們對(duì)稱的平行引線布局還確保了機(jī)械穩(wěn)定性和易于組裝和測(cè)試，并且它們還具有用于控制效率的開爾文源引腳。

裝配注意事項(xiàng)

發(fā)熱 MOSFET 器件和散熱器通常與其他薄型組件一起放置在 PCB 的頂部。相比之下，較高的設(shè)備通常放置在電路板的底部。英飛凌的HDSOP 器件設(shè)計(jì)為具有 2.3 毫米的統(tǒng)一高度，從而簡(jiǎn)化了冷板連接并消除了加工需求。這也允許使用優(yōu)化的散熱器，即使在同一設(shè)計(jì)中使用了不同的功率半導(dǎo)體技術(shù)。

可以通過(guò)多種方式將 MOSFET 封裝熱粘合到冷板上。盡管如此，最直接和最有效的方法是在 MOSFET 和它的散熱器之間放置一個(gè)導(dǎo)熱間隙填充物。這種方法還具有允許生產(chǎn)過(guò)程完全自動(dòng)化的優(yōu)點(diǎn)。雖然間隙填充物可以提供足夠的電隔離，但為了額外的安全性，可以使用額外的隔離箔來(lái)提供進(jìn)一步的電隔離，而不會(huì)顯著降低熱性能。

如何解決車載充電器功率密度演變

英飛凌與Silicon Austria Labs合作開發(fā) 7 kW 汽車 OBC 設(shè)計(jì)，以展示利用 SiC 和 TSC 封裝創(chuàng)新的高功率密度。

這是一款單相、隔離、雙向充電器，具有集成的低壓 2.4kW、12V 輸出。該參考設(shè)計(jì)的體積約為 3.2 kW/L(包括外殼和連接器)，使用英飛凌的 TSC 750-V SiC MOSFET實(shí)現(xiàn)了約 97% 的整體峰值效率，包括 PFC 和 C LLC轉(zhuǎn)換器。

為了實(shí)現(xiàn)更高的功率密度等級(jí)，英飛凌與蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院電力電子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室合作，開發(fā)了基于GaN HEMT 技術(shù)的超高密度 OBC 設(shè)計(jì)。

通過(guò)將先進(jìn)的控制和調(diào)制方案與這些設(shè)備在不同開關(guān)條件下的卓越性能相結(jié)合，最終充電器設(shè)計(jì)的無(wú)外殼功率密度為 17.8 × 400 × 140 mm 3，為 10 kW/L。

該可行性研究有效地表明，通過(guò)可實(shí)現(xiàn)正確的技術(shù)/封裝/拓?fù)浣M合，可以進(jìn)一步提高功率密度。當(dāng)然，雖然有一些問(wèn)題需要解決并在大規(guī)模生產(chǎn)中啟用此類技術(shù)，但這是英飛凌研發(fā)部門與行業(yè)主要利益相關(guān)者共同關(guān)注的重點(diǎn)。我們都期待在未來(lái)幾年看到 GaN 成功進(jìn)入市場(chǎng)，這樣的設(shè)計(jì)可以解決對(duì)更高功率密度的需求。

概括

減輕重量和體積將是未來(lái)支持電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程增加的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。小巧輕便的 OBC 將成為這一演變的一部分。

雖然功率密度為 10 kW/L 的實(shí)用 OBC 可能還無(wú)法實(shí)現(xiàn)，但英飛凌已經(jīng)展示了如何將其創(chuàng)新的WBG 設(shè)備和封裝技術(shù)相結(jié)合，以生產(chǎn)具有功率密度的原型參考設(shè)計(jì)。隨著電動(dòng)汽車向更高效率的快速發(fā)展，對(duì) OBC 中更高功率密度的需求將比以前認(rèn)為的進(jìn)一步加速。