【導讀】為了提高消費者對電動汽車 (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(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展性的目標。
在先進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)更高功率密度的關鍵。Littelfuse 特意準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容。
電動汽車電池充電，為電力公司帶來大負載的挑戰(zhàn)，因此公用事業(yè)公司正在研究 V1G智能充電和V2G雙向充電技術作為應對。在 V1G技術中，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能量的大小來分配能量負載，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封裝
圖 1 展示了一種雙向電源拓撲，該拓撲在8個半橋組中使用16個碳化硅功率MOSFET。設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 30 kW 時，先進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、鋁鍵合線和半導體周圍的塑料模塑料。DCB 結構提供高隔離強度，并允許在單個載體上進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。將銅引線框架與鋁焊線相結合可以簡化焊接和組裝。
圖 3 表面貼裝功率器件 (SMPD) 封裝的示例結構（來源：Littelfuse ）
本示例中的 SMPD 封裝設計具有以下幾個優(yōu)點：
● 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，設計人員可以開發(fā)輸出高達 50 kW 的單個功率單元，而無需并聯(lián)元。
表面貼裝封裝設計，例如 Littelfuse 的封裝設計，可以通過低熱阻封裝技術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計人員克服在不顯著增加所構建系統(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應用工程全球負責人Martin Schulz 博士和Littelfuse電動汽車基礎設施業(yè)務發(fā)展經(jīng)理Philippe Di Fulvio
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