英飛凌科技全球電動汽車充電應(yīng)用經(jīng)理Daniel Makus、英飛凌科技高壓功率轉(zhuǎn)換高級應(yīng)用工程師Severin Kampl

汽車行業(yè)發(fā)展創(chuàng)新突飛猛進(jìn)，從底盤到動力總成，從信息娛樂系統(tǒng)到聯(lián)網(wǎng)和自動化系統(tǒng)，汽車設(shè)計(jì)的方方面面都有著日新月異的進(jìn)步。然而，為人詬病的電動汽車（EV）充電用時(shí)問題（特別是在旅途中充電）帶來的巨大不便，阻礙了電動汽車的推廣普及，因此，車載充電器（OBC）設(shè)計(jì)或許將成為備受關(guān)注的領(lǐng)域。

同應(yīng)對大多數(shù)工程挑戰(zhàn)一樣，設(shè)計(jì)人員把目光投向先進(jìn)技術(shù)，以期利用現(xiàn)代硅超結(jié)（SJ）技術(shù)以及諸如碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等寬禁帶（WBG）材料來提供解決方案。但半導(dǎo)體材料只是解決方案的一部分。任何車載充電器設(shè)計(jì)想要充分發(fā)揮其在功率密度和能效方面的潛力，都離不開高效散熱設(shè)計(jì)。

在本技術(shù)白皮書中，英飛凌審視了車載充電器設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)，細(xì)致深入地考察了半導(dǎo)體封裝對于打造解決方案所起的作用。本文還探討了一種頂部散熱的創(chuàng)新方法，該方法可用于一系列高性能元器件，以供設(shè)計(jì)人員選用。

現(xiàn)代電動汽車車載充電器設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)

車載充電器的作用是將來自電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，以用于為動力電池充電。車載充電器僅在汽車停放并連接充電電纜時(shí)執(zhí)行這項(xiàng)功能。汽車行駛時(shí)則只能一路載著這個(gè)重物，因此，必須最大限度地減小車載充電器的尺寸和重量，以減輕其對續(xù)航里程的影響，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)快速高效充電。另一個(gè)挑戰(zhàn)是車載充電器功率等級增長迅猛。幾年前，3.6 kW還是最先進(jìn)的技術(shù)，而在不久的將來，功率將提高至三倍左右，也就是說，在占用相同空間的情況下，功率可達(dá)到11 kW。

車載充電器設(shè)計(jì)人員面臨著五大相互關(guān)聯(lián)的挑戰(zhàn)。其中，提高功率密度尤為重要，因?yàn)檫@意味著可縮小尺寸和降低重量，而這有助于延長電動汽車?yán)m(xù)航里程。提高能效不僅可以減少車載充電器內(nèi)部的熱量積聚（這降低了散熱管理要求，因而可以減小車載充電器的尺寸并相應(yīng)地提高功率密度），還能從電網(wǎng)供給更多電能為動力電池充電，從而縮短實(shí)際充電時(shí)間。

動力電池電壓不斷提高，典型電壓已從400 V升至800 V，這主要是為了降低充電時(shí)和向主驅(qū)電機(jī)輸送電能時(shí)電纜中傳輸?shù)?u>電流及相關(guān)I2R損耗。

圖1：OBC設(shè)計(jì)對電力電子設(shè)計(jì)人員提出了一系列挑戰(zhàn)

雙向運(yùn)行要求對車載充電器設(shè)計(jì)人員提出了另一個(gè)挑戰(zhàn)。隨著電動汽車越來越普及，電網(wǎng)承受的壓力將大幅增加，特別是人們可能會在同一時(shí)段給汽車充電（譬如，每天通勤結(jié)束后在夜間充電）。電力供應(yīng)商認(rèn)識到，電動汽車中儲存的大量電能，既可以用于穩(wěn)定交流電網(wǎng)，也可以在高峰時(shí)段為住宅供電，以降低用電峰值需求。此外，當(dāng)交流電網(wǎng)發(fā)生故障（停電）時(shí)，電動汽車可以充當(dāng)“家用電池”。然而，要做到這一點(diǎn)，車載充電器需要在接收電能之外，還能從動力電池饋出電能。

為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，拓?fù)浜图夹g(shù)的選用都很重要，特別是對于開關(guān)元件。在大多數(shù)情況下，WBG解決方案將有助于提供所需要的性能優(yōu)勢。

然而，雖然知道WBG技術(shù)的益處，設(shè)計(jì)人員還必須考慮，改善散熱性能對于實(shí)現(xiàn)這些重要目標(biāo)有著至關(guān)重要的作用。

頂部散熱——概述和優(yōu)點(diǎn)

汽車環(huán)境對于電子組件存在很多危害因素，包括灰塵、污垢和液體，有鑒于此，電動汽車中的大多數(shù)電子系統(tǒng)都通過密封加以保護(hù)。這種情況不允許使用強(qiáng)制風(fēng)冷式散熱，因此，散熱管理通常是將大功率元器件產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至電動汽車內(nèi)的冷卻液。

一般來說，大功率SMD元器件的導(dǎo)熱路徑是從功率器件向下傳導(dǎo)至PCB，PCB則鍵合在散熱板上。這種方式被稱為“底部散熱”（BSC）。在散熱任務(wù)艱巨的應(yīng)用中，可以將功率器件貼裝在絕緣金屬基板（IMS）上，這樣做可以優(yōu)化散熱性能，因?yàn)榻^緣金屬基板的導(dǎo)熱性優(yōu)于帶散熱通孔的FR4。然而，底部散熱方法總是要在散熱性能與電路板空間利用率之間謀求折衷。

通過創(chuàng)新封裝，英飛凌研制出適用于功率分立器件和功率IC的頂部散熱（TSC）技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)有許多優(yōu)點(diǎn)，所有這些優(yōu)點(diǎn)都能讓車載充電器設(shè)計(jì)和其他類似應(yīng)用受益。

底部散熱通常將散熱板安裝到PCB/IMS底部進(jìn)行散熱。這樣就有一個(gè)面不能放置元件，因而使功率密度降低一半。半導(dǎo)體器件與PCB鍵合在一起散熱，意味著它們將在相同溫度下工作。FR4的Tg低于許多現(xiàn)代功率器件的工作溫度，這限制了這些器件充分發(fā)揮其潛力。

圖2：TSC允許將元器件放置在電路板的兩個(gè)面，從而使功率密度翻番

通過將散熱板鍵合在功率元器件的頂部，這些問題迎刃而解，不僅兩面都可以放置元器件，而且WBG器件能夠在其整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。

雖然IMS的散熱性能優(yōu)于FR4，但它也加劇了復(fù)雜度。事實(shí)上，許多IMS解決方案都變成多板裝配，即，IMS僅用于功率器件，F(xiàn)R4則用于驅(qū)動器和無源器件。這令設(shè)計(jì)和制造變得極為復(fù)雜。然而，最近的一份拆解報(bào)告顯示，現(xiàn)實(shí)中的這種裝配使用了169個(gè)連接器——而等效的頂部散熱設(shè)計(jì)只需要41個(gè)。［］

圖3：簡潔的TSC裝配所需連接數(shù)量可減少最多76%

改為單板TSC設(shè)計(jì)可以少用128個(gè)連接器，這既節(jié)省了成本又降低了復(fù)雜度，而且在無形中化解了這些連接器造成的可靠性問題。還省下了IMS的成本，根據(jù)拆解報(bào)告的分析，裝配成本降低了三分之一。

散熱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)是半導(dǎo)體結(jié)與散熱板之間的熱阻，因?yàn)檫@個(gè)參數(shù)定義了傳導(dǎo)熱量的能力。散熱仿真表明，在FR4上采用頂部散熱的熱阻，比在FR4上采用底部散熱改善了35%，甚至比在IMS上采用底部散熱也略有改善，而成本卻大大降低。

圖4：盡管成本更低，TSC的性能卻優(yōu)于底部散熱IMS設(shè)計(jì)

FR4本身的散熱限制與此有關(guān)，這是一項(xiàng)安全要求。在底部散熱方案中，MOSFET鍵合在FR4上，這意味著FR4的溫度非常接近于半導(dǎo)體結(jié)溫。FR4的溫度限制意味著MOSFET的工作溫度亦受限于此，因而無法充分發(fā)揮其潛力。在頂部散熱方案中，MOSFET與FR4并未鍵合在一起散熱，因此MOSFET可以在更高溫度下運(yùn)行。

使用IMS時(shí)通常需要將驅(qū)動器和無源器件貼裝在單獨(dú)的FR4 PCB上，因此，柵極驅(qū)動器與MOSFET之間可能存在較大距離，這不可避免地加劇了寄生效應(yīng)，從而導(dǎo)致振鈴。

圖5：采用頂部散熱的SMD功率器件可縮短柵極軌跡，減少寄生效應(yīng)

TSC允許將所有元器件放置在同一個(gè)雙面PCB上，因此，可以將驅(qū)動器直接放置在相應(yīng)的MOSFET的下方，從而顯著減少PCB引起的寄生效應(yīng)。這將提升系統(tǒng)性能，產(chǎn)生更干凈的波形，從而降低功率元器件上的電氣應(yīng)力。

裝配考慮事項(xiàng)

如前文所討論的，典型的TSC裝配通常比等效的底部散熱方案更為簡單，其中一個(gè)很重要的原因是它僅使用一個(gè)電路板并且所需連接數(shù)量顯著減少。

直接將散熱片安裝到位于PCB頂部的發(fā)熱MOSFET封裝上進(jìn)行散熱。薄型元件也放置在這一側(cè)，厚型元件則放置在下面。英飛凌在開發(fā)HDSOP系列時(shí)，已確保每個(gè)元件的標(biāo)稱高度均為2.3 mm。這樣的統(tǒng)一高度大大簡化了散熱板，無需進(jìn)行機(jī)械加工，即使在同一個(gè)設(shè)計(jì)中使用了不同的功率半導(dǎo)體技術(shù)，也可以使用更為優(yōu)化的散熱片。

圖6：所有HDSOP器件均實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一高度大大簡化了散熱片設(shè)計(jì)和裝配

有多種方法可將MOSFET封裝與散熱板鍵合到一起進(jìn)行散熱。一般而言，最簡單的方法是在MOSFET與散熱片之間放置一個(gè)導(dǎo)熱填縫墊片。經(jīng)優(yōu)化的填縫料高度可以實(shí)現(xiàn)最佳散熱性能，但前提條件是填縫料填滿不留空隙。此外，液體填縫材料可用于全自動生產(chǎn)線。

圖7：填縫料是首選散熱鍵合方法，加裝絕緣片可滿足更高安全要求

盡管填縫料已能夠在MOSFET與導(dǎo)熱散熱片之間實(shí)現(xiàn)足夠的電隔離，還可以在填縫料與散熱片之間加裝一片絕緣墊片，以便在不明顯降低散熱性能的情況下提供適當(dāng)?shù)碾姎飧綦x水平，從而滿足更高安全要求。

英飛凌QDPAK——高級TSC解決方案

英飛凌QDPAK器件經(jīng)專門設(shè)計(jì)，可以充分利用TSC的優(yōu)勢，并提供多種特性以滿足不同應(yīng)用的要求。這個(gè)系列的器件均為標(biāo)稱尺寸20.96 mm x 15.00 mm、統(tǒng)一高度2.3 mm，以便輕松裝配。

QDPAK器件能夠?qū)崿F(xiàn)高功率耗散，并且具備多個(gè)專門用于漏極和源極連接的引腳，因此它們非常適于大電流工作。采用開爾文源極引腳來確保高度可控性和滿載效率，以支持高頻工作，實(shí)現(xiàn)功率密度目標(biāo)。對稱平行引線布局確保了PCB的機(jī)械穩(wěn)定性，同時(shí)也便于裝配和測試。

圖8：實(shí)現(xiàn)了頂部散熱（TSC）的QDPAK可為制造/裝配帶來許多益處

作為標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，QDPAK（PG-HDSOP-22-1）可在最高450 V工作電壓下提供3.20 mm爬電距離，適用于400 V以下電池電壓等級的大多數(shù)應(yīng)用。對于更具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用，HV QDPAK（PG-HDSOP-22-3）采用I級塑封料，并在封裝中留出凹槽，使爬電距離增至4.80 mm，可支持950 V工作電壓。

總結(jié)

雖然在利用功率解決方案來不斷提高能效和功率密度這場較量中，寬禁帶（WBG）半導(dǎo)體材料占據(jù)了新聞?lì)^條，但高效散熱管理在實(shí)現(xiàn)電氣性能以及降低尺寸、重量和成本方面起著重要作用。

創(chuàng)新封裝設(shè)計(jì)，如英飛凌的QDPAK，可以實(shí)現(xiàn)頂部散熱（TSC）。在這種設(shè)計(jì)中，熱量從封裝頂部經(jīng)由導(dǎo)熱介質(zhì)直接流向散熱板。這種方法有許多優(yōu)點(diǎn)，包括散熱性能優(yōu)于等效的IMS解決方案。更為簡潔的結(jié)構(gòu)避免了多板裝配，減少了元器件數(shù)量和成本（尤其是連接器）。得益于此，性能顯著提高，裝配時(shí)間和成本也有所縮短和降低。通過充分利用電路板的兩個(gè)面，大幅提高了功率密度，同時(shí)也減少了系統(tǒng)中的寄生元素。

雖然頂部散熱（TSC）可能看起來很“新”，并且在許多方面確實(shí)很“新”，但這個(gè)解決方案真正的優(yōu)點(diǎn)在于，它使用經(jīng)反復(fù)檢驗(yàn)的技術(shù)，如填縫料或結(jié)合導(dǎo)熱介質(zhì)，打造出既簡練又極為可靠的解決方案。

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