先進(jìn)的隔離式封裝在大功率電池充電設(shè)計中的優(yōu)勢

為了提高消費者對電動汽車 (EV) 的接受度，設(shè)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(zhàn)，尤其是對于長途駕駛而言。將單個單元組件組合到模塊化設(shè)計中可提高功率輸出，并使充電器制造商實現(xiàn)更小的面積、更高的靈活性和可擴(kuò)展性的目標(biāo)。

在先進(jìn)的隔離式封裝中使用有源功率元件，可實現(xiàn)更高的功率密度并顯著減少電路設(shè)計中的熱管理工作，從而解決大功率充電的挑戰(zhàn)。SMPD封裝具有眾多優(yōu)點，能夠增加輸出功率而不顯著增加系統(tǒng)尺寸和重量，是實現(xiàn)更高功率密度的關(guān)鍵。Littelfuse 特意準(zhǔn)備了一個演示文稿來為大家介紹SMPD封裝，這里先介紹其中一些內(nèi)容。

電動汽車電池充電，為電力公司帶來大負(fù)載的挑戰(zhàn)，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(yīng)對。在 V1G技術(shù)中，公用事業(yè)公司將通過控制電動汽車開始充電的時間和供應(yīng)能量的大小來分配能量負(fù)載，以最大限度地減少需求峰值。V2G則控制充電的時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(shè)計更加復(fù)雜，需要更多元件、額外的功耗管理工作和復(fù)雜的控制算法。

處理更高的功率需要高功率半導(dǎo)體的先進(jìn)封裝

圖 1 展示了一種雙向電源拓?fù)?，該拓?fù)湓?個半橋組中使用16個碳化硅功率MOSFET。設(shè)計人員會利用更多的并聯(lián)分立功率 FET 來實現(xiàn)更高的功率，從而使充電/放電系統(tǒng)設(shè)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(dāng)設(shè)計輸出功率水平超過 30 kW 時，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(zhuǎn)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(shè)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

實現(xiàn)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，帶有銅引線框架、鋁鍵合線和半導(dǎo)體周圍的塑料模塑料。DCB 結(jié)構(gòu)提供高隔離強(qiáng)度，并允許在單個載體上進(jìn)行具有高散熱能力的多半導(dǎo)體排列。DCB 中裸露的銅層使連接到散熱器的表面積最大化。將銅引線框架與鋁焊線相結(jié)合可以簡化焊接和組裝。

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

本示例中的 SMPD 封裝設(shè)計具有以下幾個優(yōu)點：

●    UL認(rèn)證，額定絕緣電壓高達(dá)2500 V

●    與其它半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體的能力，以及由于封裝的低雜散電感導(dǎo)致的低電壓過沖。

●    在啟用定制拓?fù)浞矫婢哂懈蟮撵`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(dǎo)體都可以安裝在單個散熱器上。

圖4 顯示了SMPD封裝如何將元件數(shù)量減少近一半，從而實現(xiàn)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(shù)量減少一半。

以更小的封裝提供更高的功率

設(shè)計人員可以增加充電器的功率，從而提高功率密度。通過采用 SMPD 封裝，設(shè)計人員可以開發(fā)輸出高達(dá) 50 kW 的單個功率單元，而無需并聯(lián)元。

表面貼裝封裝設(shè)計，例如 Littelfuse 的封裝設(shè)計，可以通過低熱阻封裝技術(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(dǎo) EMI。設(shè)計人員可以通過在更高頻率下工作來使用更小的電感器，從而節(jié)省空間和成本。SMPD 功率器件封裝可幫助設(shè)計人員克服在不顯著增加所構(gòu)建系統(tǒng)的尺寸和重量的情況下增加輸出功率的挑戰(zhàn)。

來源：Littelfuse，作者：Littelfuse應(yīng)用工程全球負(fù)責(zé)人Martin Schulz 博士和Littelfuse電動汽車基礎(chǔ)設(shè)施業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理Philippe Di Fulvio