如何利用表面貼裝功率器件提高大功率電動汽車電池的充電能力

終端用戶希望新的電動汽車設計能夠最大限度地減少車輛的空閑時間，尤其是在長途駕駛中。電動汽車設計人員需要提高充電器的功率輸出、功率密度和效率，以實現終端用戶期望的快速充電。目前，單個單元充電器的設計范圍是從7千瓦到30千瓦。將單個單元元件組合到模塊化設計中可以增加功率輸出，幫助充電器制造商實現占地面積更小、靈活性更高和可擴展性的目標。對有源功率元件使用先進的隔離封裝，可實現更高的功率密度并顯著減少電路設計中的熱管理工作，從而解決大功率充電的挑戰。

電力公司面臨著額外的管理大負載的挑戰，這些大負載是由增加的電動汽車使用的電動汽車電池充電而產生的。公用事業單位正在研究兩項車輛到電網的技術：

V1G – 在這項稱為智能充電的技術中，公用事業單位通過兩種方式單獨分配能量，以將需求峰值降至最低;即通過控制電動汽車開始充電的時間和供電的多少。

V2G – 雙向充電控制充電時間、功率和方向。例如，為了減少峰值需求，該公用事業單位可以將充滿電的電池中的一些電力拉回電網，然后將其供應給另一輛車。V2G方法對于車隊來說可能非常具有成本效益，因為為調峰做出貢獻將被認為是一項有價值的服務。例如，大多數校車只在白天運行，整晚都可以充電和共享電力。一支規模更大的車隊，比如美國運營的50萬輛校車，可以被控制成高度分散的能源儲存。在美國暑假的100天空閑時間里，可用電池容量可以增長到GWh的水平。為了適應V2G技術，現在的設計人員需要開發雙向充電器，這種充電器也可以為電網供電。

與簡單的單向充電器相比，雙向充電器的設計更加復雜，需要更多的元件。還需要額外的努力來管理功耗和開發復雜的控制算法。

處理更高功率需要高功率半導體的先進封裝

圖1顯示了一種雙向電源拓撲，該拓撲在8個半橋組中使用16個碳化硅功率MOSFET。為了實現更高的功率，電子設計人員可以并聯使用更多的離散功率FET;然而，這會使電力電子系統的設計復雜化。分立功率FET封裝通常為D2PAK或TO-247封裝。當設計功率級別超過30 kW時，先進的隔離封裝提供了支持所需高輸出功率的元件。

圖1：具有多級功率轉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封裝安裝到一個公共散熱器上。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，提供了更緊湊的設計。此外，使用具有高絕緣強度的頂部冷卻側，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顯示了封裝選項及其功率處理能力。這些封裝選項根據輸出功率和散熱量以及印刷電路板(PCB)布局的復雜性和組裝難度進行評級。表面貼裝功率器件(SMPD)為設計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。

圖2.封裝功率能力與封裝性能的比較

SMPD封裝可實現更高功率密度

電動汽車充電系統設計人員可以使用SMPD來容納各種電壓等級和電路拓撲(包括半橋)的各種芯片技術。SMPD封裝的示例如圖3所示。SMPD封裝具有以下特點：

具有銅引線框架的直接銅鍵合 (DCB)基板，鋁鍵合線，半導體周圍的塑料模塑化合物。DCB結構提供高隔離強度，從而實現了在單個載體上進行具有高散熱能力的多半導體排列。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線相結合，簡化了焊接和組裝。

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

本示例中的 SMPD 封裝設計具有以下幾個優點：

UL認證，額定絕緣電壓高達2500 V

與其它半導體封裝(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體的能力，以及由于封裝的低雜散電感導致的低電壓過沖。

在啟用定制拓撲方面具有更大的靈活性，包括晶閘管、功率二極管、MOSFET 和 IGBT。

由于背面隔離，所有功率半導體都可以安裝在單個散熱器上。

如圖4所示，SMPD封裝有兩個版本，即SMPD-X和SMPD-B。SMPD-X包含單個開關、單個二極管或Co-Pack，可以在一個封裝中滿足更高的功率需求。SMPD-B允許在各種電壓、電流和技術中構建模塊，如各種拓撲中的MOSFET、IGBT和晶閘管。

圖4：SMPD-X和SMPD-B封裝比較

兩個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英寸機架，具有兩個高度單元(2HU)，長度為880 mm，用于電動汽車充電子單元，在行業中隨處可見。例如，當使用薄型SMPD封裝時，與采用19英寸2HU機架配置的E2和E3封裝相比，該設計節省了約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。減少所需的元件數量可實現更高的功率密度和更高的功率，并減小總體組裝尺寸。圖5所示的每個封裝包含了兩個功率MOSFET，這是SMPD封裝的多個電路配置中的一個示例。

圖5.基于SMPD封裝的雙向充電器將元件數量減少了將近50%

如果要求目標是更高的功率水平，SMPD還可用于IGBT和碳化硅MOSFET的單開關配置。一旦設計需要更高的電壓，就可以隨時選擇1700V及以上的封裝選項。

目標：更小的封裝和更高的功率

通過采用SMPD封裝，設計人員可以提高電動汽車充電器的功率，從而提高功率密度和效率。SMPD使設計人員能夠開發輸出功率高達50 kW的單功率單元，而無需并聯元件。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。表面貼裝封裝設計(如Littelfuse的設計)，可以通過低熱阻封裝技術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EMI，并具有較低的寄生電容和雜散電感。設計人員還可以通過在更高頻率下工作來使用更小的電感器，從而進一步節省空間和成本。

一句話：SMPD功率器件封裝使設計人員在不大幅增加系統尺寸和重量的情況下，增加了輸出功率。

本文轉載自：電子工程專輯

審核編輯 黃宇