【導讀】終端用戶(hù)希望新的電動(dòng)汽車(chē)設計能夠最大限度地減少車(chē)輛的空閑時(shí)間，尤其是在長(cháng)途駕駛中。電動(dòng)汽車(chē)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(shí)現終端用戶(hù)期望的快速充電。目前，單個(gè)單元充電器的設計范圍是從7千瓦到30千瓦。將單個(gè)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(shí)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(jìn)的隔離封裝，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。
摘要為了讓消費者更廣泛地接受電動(dòng)汽車(chē)，當今的設計人員必須解決快速充電的挑戰......
終端用戶(hù)希望新的電動(dòng)汽車(chē)設計能夠最大限度地減少車(chē)輛的空閑時(shí)間，尤其是在長(cháng)途駕駛中。電動(dòng)汽車(chē)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(shí)現終端用戶(hù)期望的快速充電。目前，單個(gè)單元充電器的設計范圍是從7千瓦到30千瓦。將單個(gè)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(shí)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(jìn)的隔離封裝，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。
電力公司面臨著(zhù)額外的管理大負載的挑戰，這些大負載是由增加的電動(dòng)汽車(chē)使用的電動(dòng)汽車(chē)電池充電而產(chǎn)生的。公用事業(yè)單位正在研究?jì)身椳?chē)輛到電網(wǎng)的技術(shù)：
? V1G – 在這項稱(chēng)為智能充電的技術(shù)中，公用事業(yè)單位通過(guò)兩種方式單獨分配能量，以將需求峰值降至最低；即通過(guò)控制電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)始充電的時(shí)間和供電的多少。
? V2G – 雙向充電控制充電時(shí)間、功率和方向。例如，為了減少峰值需求，該公用事業(yè)單位可以將充滿(mǎn)電的電池中的一些電力拉回電網(wǎng)，然后將其供應給另一輛車(chē)。
V2G方法對于車(chē)隊來(lái)說(shuō)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(jià)值的服務(wù)。例如，大多數校車(chē)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(chē)隊，比如美國運營(yíng)的50萬(wàn)輛校車(chē)，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(shí)間里，可用電池容量可以增長(cháng)到GWh的水平。為了適應V2G技術(shù)，現在的設計人員需要開(kāi)發(fā)雙向充電器，這種充電器也可以為電網(wǎng)供電。
與簡(jiǎn)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(lái)管理功耗和開(kāi)發(fā)復雜的控制算法。
處理更高功率需要高功率半導體的先進(jìn)封裝
圖1顯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。為了實(shí)現更高的功率，電子設計人員可以并聯(lián)使用更多的離散功率FET；然而，這會(huì )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(guò)30 kW時(shí)，先進(jìn)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(gè)封裝安裝到一個(gè)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(guò)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(guò)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(jìn)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(shí)現更高功率密度
電動(dòng)汽車(chē)充電系統設計人員可以使用SMPD來(lái)容納各種電壓等級和電路拓撲（包括半橋）的各種芯片技術(shù)。SMPD封裝的示例如圖3所示。SMPD封裝具有以下特點(diǎn)：
? 具有銅引線(xiàn)框架的直接銅鍵合 (DCB)基板，
? 鋁鍵合線(xiàn)，
? 半導體周?chē)乃芰夏Ｋ芑衔铩?/p>
DCB結構提供高隔離強度，從而實(shí)現了在單個(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(xiàn)框架與鋁鍵合導線(xiàn)相結合，簡(jiǎn)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(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。
如圖4所示，SMPD封裝有兩個(gè)版本，即SMPD-X和SMPD-B。SMPD-X包含單個(gè)開(kāi)關(guān)、單個(gè)二極管或Co-Pack，可以在一個(gè)封裝中滿(mǎn)足更高的功率需求。SMPD-B允許在各種電壓、電流和技術(shù)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(gè)版本都具有相同的封裝尺寸，長(cháng)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(gè)高度單元(2HU)，長(cháng)度為880 mm，用于電動(dòng)汽車(chē)充電子單元，在行業(yè)中隨處可見(jiàn)。例如，當使用薄型SMPD封裝時(shí)，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(wú)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(shí)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(gè)封裝包含了兩個(gè)功率MOSFET，這是SMPD封裝的多個(gè)電路配置中的一個(gè)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(kāi)關(guān)配置。一旦設計需要更高的電壓，就可以隨時(shí)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(guò)采用SMPD封裝，設計人員可以提高電動(dòng)汽車(chē)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(kāi)發(fā)輸出功率高達50 kW的單功率單元，而無(wú)需并聯(lián)元件。使用SMPD功率元件有助于通過(guò)使用更少的元件來(lái)降低制造成本。表面貼裝封裝設計（如Littelfuse的設計），可以通過(guò)低熱阻封裝技術(shù)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(guò)在更高頻率下工作來(lái)使用更小的電感器，從而進(jìn)一步節省空間和成本。
一句話(huà)：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。
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