【導讀】為了提高消費者對電動(dòng)汽車(chē) (EV) 的接受度，設計人員需要提高充電器的功率輸出、功率密度和效率，以解決快速充電的挑戰，尤其是對于長(cháng)途駕駛而言。將單個(gè)單元組件組合到模塊化設計中可提高功率輸出，并使充電器制造商實(shí)現更小的面積、更高的靈活性和可擴展性的目標。
在先進(jìn)的隔離式封裝中使用有源功率元件，可實(shí)現更高的功率密度并顯著(zhù)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。SMPD封裝具有眾多優(yōu)點(diǎn)，能夠增加輸出功率而不顯著(zhù)增加系統尺寸和重量，是實(shí)現更高功率密度的關(guān)鍵。Littelfuse 特意準備了一個(gè)演示文稿來(lái)為大家介紹SMPD封裝，這里先介紹其中一些內容。
電動(dòng)汽車(chē)電池充電，為電力公司帶來(lái)大負載的挑戰，因此公用事業(yè)公司正在研究 V1G智能充電和V2G雙向充電技術(shù)作為應對。在 V1G技術(shù)中，公用事業(yè)公司將通過(guò)控制電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)始充電的時(shí)間和供應能量的大小來(lái)分配能量負載，以最大限度地減少需求峰值。V2G則控制充電的時(shí)間和容量以及充電的方向，使得公用事業(yè)公司可以將充電電池中的電力拉回電網(wǎng)，為另一輛車(chē)供電，以減少高峰需求。
V2G技術(shù)需要雙向充電器，與單向充電器相比，雙向設計更加復雜，需要更多元件、額外的功耗管理工作和復雜的控制算法。
處理更高的功率需要高功率半導體的先進(jìn)封裝
圖 1 展示了一種雙向電源拓撲，該拓撲在8個(gè)半橋組中使用16個(gè)碳化硅功率MOSFET。設計人員會(huì )利用更多的并聯(lián)分立功率 FET 來(lái)實(shí)現更高的功率，從而使充電/放電系統設計變得更加困難。分立式功率 FET 封裝通常是 D2PAK 或 TO-247 封裝。當設計輸出功率水平超過(guò) 30 kW 時(shí)，先進(jìn)封裝提供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
圖 2 顯示了封裝選項及其功率處理能力。表面貼裝功率器件(SMPD) 封裝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 封裝功率能力及封裝性能對比
實(shí)現更高功率密度的 SMPD 封裝
圖 3 給出了Littelfuse 的 SMPD 封裝示例。SMPD 采用直接銅鍵合 (DCB) 基板，帶有銅引線(xiàn)框架、鋁鍵合線(xiàn)和半導體周?chē)乃芰夏Ｋ芰?。DCB 結構提供高隔離強度，并允許在單個(gè)載體上進(jìn)行具有高散熱能力的多半導體排列。DCB 中裸露的銅層使連接到散熱器的表面積最大化。將銅引線(xiàn)框架與鋁焊線(xiàn)相結合可以簡(jiǎn)化焊接和組裝。
圖 3 表面貼裝功率器件 (SMPD) 封裝的示例結構（來(lái)源：Littelfuse ）
本示例中的 SMPD 封裝設計具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
● 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(guò)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(gè)散熱器上。
圖4 顯示了SMPD封裝如何將元件數量減少近一半，從而實(shí)現更高的功率、更大的功率密度和更小的裝配尺寸。
圖 4 基于 SMPD 封裝的雙向充電器，與使用分立器件相比，可將元件數量減少一半。
以更小的封裝提供更高的功率
設計人員可以增加充電器的功率，從而提高功率密度。通過(guò)采用 SMPD 封裝，設計人員可以開(kāi)發(fā)輸出高達 50 kW 的單個(gè)功率單元，而無(wú)需并聯(lián)元。
表面貼裝封裝設計，例如 Littelfuse 的封裝設計，可以通過(guò)低熱阻封裝技術(shù)最大限度地減小散熱器尺寸和成本。由于寄生電容和雜散電感較低，這種封裝可以降低輻射和傳導 EMI。設計人員可以通過(guò)在更高頻率下工作來(lái)使用更小的電感器，從而節省空間和成本。SMPD 功率器件封裝可幫助設計人員克服在不顯著(zhù)增加所構建系統的尺寸和重量的情況下增加輸出功率的挑戰。
來(lái)源：Littelfuse，作者：Littelfuse應用工程全球負責人Martin Schulz 博士和Littelfuse電動(dòng)汽車(chē)基礎設施業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理Philippe Di Fulvio
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