滿足11kW及以上額定功率車載充電系統需求的絕佳解決方案

電動汽車正在迅速成為最先進的汽車。由于鋰離子電池容量增加、標稱電池電壓提高和寬帶隙半導體，現代電動汽車一次充電可行駛400至600公里。

為了適應這種增加的電池容量的全部潛力，高速充電變得不可避免。對于客車中的交流充電，車載充電器（obc）是必需的。此前，車載充電系統最常見的額定功率在3.6千瓦至7.2千瓦之間。然而，隨著電池容量的增加，額定功率為11千瓦和22千瓦的車載電池也將越來越受歡迎。

額定功率和產量的增加給以下方面帶來了一些挑戰現代OBC設計。例如，盡管OBCs的額定功率增加了，但由于電動汽車的空間有限，OBC的可用安裝空間幾乎保持不變。因此，與以前的OBC解決方案相比，額定功率為11千瓦或更高的OBC將需要更高的功率密度（W/l）。此外，隨著OBC功率密度的增加，OBC中半導體的冷卻也變得更加重要。這使得半導體與散熱器之間的優化熱連接至關重要。

現代OBCs需要解決的另一個挑戰是快速和穩健的制造。為了滿足日益增長的生產需求，OBCs需要設計為能夠通過自動化實現生產。此外，為了降低系統級成本，還需要組件的垂直集成，例如以功率半導體模塊的形式。簡而言之，為了滿足對配備11千瓦或更高充電功率的OBCs的電動汽車日益增長的需求，需要優化設計和制造工藝。

圖一。適用于OBCs的EasyPACK系列通過了AQG324認證。圖片由提供者使用博多的電力系統

作為英飛凌科技公司制定的工業模塊標準之一，EasyPACK模塊用于以下應用電動汽車充電器、通用驅動器、太陽能逆變器、空調等等。如圖1所示，具有AQG324認證的兩種尺寸的EasyPACK模塊為半導體實現緊湊型OBC解決方案提供了所需的最佳面積。

典型的OBC主要由功率因數校正（PFC）級以及DC/DC轉換器的初級和次級組成。例如，使用EasyPACK 2B和EasyPACK1 B可以輕松實現22 kW OBC解決方案。EasyPACK 2B可以使用12個33 mOhm 1200V cool sic M1H MOSFET，從而實現PFC級和DC/ DC的初級側，如圖2（a）所示。此外，負溫度系數（NTC）電阻可以集成到模塊中，以監控其內部溫度。在DC/DC轉換器的次級側，EasyPACK 1B可以容納四個33 mOhm 1200V cool sic M1H MOSFET。然而，EasyPACK 1B公司提供了足夠的面積來容納高壓至低壓（HV/LV）DC/DC轉換器的初級側以及NTC，如圖2（b）所示。使用易派2B和易派1B，散熱器上22千瓦OBC的半導體開關所需的面積可以減少到43.4厘米。這種設計不僅實現了高功率密度，還減少了散熱面積，提供了更大的設計靈活性。

圖二。OBC的常見拓撲結構包括PFC（a）DC/DC轉換器的初級側，（b）DC/DC轉換器的次級側，集成了高壓/低壓DC/DC轉換器的初級側。圖片由提供博多的電力系統

EasyPACK模塊中的半導體放置在直接鍵合銅（DBC）基板上。DBC的圖層如圖3所示。在頂部銅層上，半導體通過焊接和引線鍵合連接。頂層和底層之間的陶瓷材料（可以是鋁2O3、AlN或Si3N4）將半導體的高電位與地面隔離。這消除了功率半導體額外隔離層的必要性，這是減少生產中的材料清單和加工步驟的額外杠桿。由于采用了陶瓷層，DBC基板的另一個好處是在其使用壽命期間具有穩定的隔離特性。

圖3。壓配合接觸區的橫截面【2】。圖片由提供博多的電力系統

EasyPACK模塊與印刷電路板（PCB）的連接通過壓配合引腳實現。壓配合引腳有一個鍍鋅的壓力區，可與FR4 PCBs形成冷焊接觸。焊接零件的橫截面如圖4所示。這種互連提供了一致和連續的低接觸電阻（低至0.05 mOhm【1】）。根據【2】，冷焊壓配合觸點的故障率非常低，比自動焊接觸點的故障率低六分之一。

圖4。簡易包裝中DBC的層次。圖片由提供博多的電力系統

與選擇性焊接相比，壓配合引腳的另一個好處是降低了生產復雜性。由于需要連接到散熱器的無源組件和模塊的高度，模塊位于通孔組件的觸針的相對側。按壓引腳時，必須選擇性焊接PCB上放置電容、連接器和變壓器等通孔元件觸點的一側。因此，使用壓配合引腳將模塊接觸到PCB減少了處理時間和處理復雜性；從而降低生產成本。

圖5。EasyPACK的結構允許模塊和散熱器之間有一個較低的空腔。圖片由提供博多的電力系統

EasyPACK的另一個特點是其非常好的熱性能。EasyPACK模塊直接擰在散熱器上（見圖5）。EasyPACK模塊的這種結構允許它們以非常低的空腔固定到散熱器上。DBC底側和散熱器之間的熱界面材料（TIM）層的最終厚度小于100 μm .如此薄的TIM層足以填滿空腔并確保熱阻極低的半導體與散熱器的連接。例如，EasyPACK中的80 mOhm 1200 V CoolSIC M1H可以實現高達30 W的功耗，而不會超過T最大vj.

此外，螺紋EasyPACK與壓配合引腳相結合，消除了幾乎所有與機械和組裝工藝相關的公差，并降低了PCB上的機械應力。

對車載充電器的需求日益增長

對具有更高額定功率（如11千瓦和22千瓦）的obc的需求不斷增長，這需要更高的垂直集成度和更容易的制造能力來提高生產率并實現更好的規模經濟。使用EasyPACK等集成電源模塊可以輕松滿足這些要求。例如，在DC/DC的PFC級和初級側使用單個EasyPACK 2B，在DC/DC的次級側使用單個EasyPACK 1B，可以將功率半導體集中在43.4 cm區域內的800 V 22 kW OBC中。通過集成H橋作為高壓/低壓DC/DC轉換器的初級側，EasyPACK 1B在DC/DC次級的應用可以進一步擴展，從而將組合系統的功率密度提高到更高水平。

高功率密度、集成隔離、快速穩定的制造能力以及壓配合引腳帶來的較低裝配率，使現有的EasyPACK模塊系列通過了AQG324認證，是滿足11 kW及以上額定功率車載充電系統需求的絕佳解決方案。

Infineon Technologies -- Koray Yilmaz 、 Christoph Sch?fer