滿足11kW及以上額定功率車載充電系統(tǒng)需求的絕佳解決方案

電動(dòng)汽車正在迅速成為最先進(jìn)的汽車。由于鋰離子電池容量增加、標(biāo)稱電池電壓提高和寬帶隙半導(dǎo)體，現(xiàn)代電動(dòng)汽車一次充電可行駛400至600公里。

為了適應(yīng)這種增加的電池容量的全部潛力，高速充電變得不可避免。對(duì)于客車中的交流充電，車載充電器（obc）是必需的。此前，車載充電系統(tǒng)最常見的額定功率在3.6千瓦至7.2千瓦之間。然而，隨著電池容量的增加，額定功率為11千瓦和22千瓦的車載電池也將越來(lái)越受歡迎。

額定功率和產(chǎn)量的增加給以下方面帶來(lái)了一些挑戰(zhàn)現(xiàn)代OBC設(shè)計(jì)。例如，盡管OBCs的額定功率增加了，但由于電動(dòng)汽車的空間有限，OBC的可用安裝空間幾乎保持不變。因此，與以前的OBC解決方案相比，額定功率為11千瓦或更高的OBC將需要更高的功率密度（W/l）。此外，隨著OBC功率密度的增加，OBC中半導(dǎo)體的冷卻也變得更加重要。這使得半導(dǎo)體與散熱器之間的優(yōu)化熱連接至關(guān)重要。

現(xiàn)代OBCs需要解決的另一個(gè)挑戰(zhàn)是快速和穩(wěn)健的制造。為了滿足日益增長(zhǎng)的生產(chǎn)需求，OBCs需要設(shè)計(jì)為能夠通過自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)。此外，為了降低系統(tǒng)級(jí)成本，還需要組件的垂直集成，例如以功率半導(dǎo)體模塊的形式。簡(jiǎn)而言之，為了滿足對(duì)配備11千瓦或更高充電功率的OBCs的電動(dòng)汽車日益增長(zhǎng)的需求，需要優(yōu)化設(shè)計(jì)和制造工藝。

圖一。適用于OBCs的EasyPACK系列通過了AQG324認(rèn)證。圖片由提供者使用博多的電力系統(tǒng)

作為英飛凌科技公司制定的工業(yè)模塊標(biāo)準(zhǔn)之一，EasyPACK模塊用于以下應(yīng)用電動(dòng)汽車充電器、通用驅(qū)動(dòng)器、太陽(yáng)能逆變器、空調(diào)等等。如圖1所示，具有AQG324認(rèn)證的兩種尺寸的EasyPACK模塊為半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)緊湊型OBC解決方案提供了所需的最佳面積。

典型的OBC主要由功率因數(shù)校正（PFC）級(jí)以及DC/DC轉(zhuǎn)換器的初級(jí)和次級(jí)組成。例如，使用EasyPACK 2B和EasyPACK1 B可以輕松實(shí)現(xiàn)22 kW OBC解決方案。EasyPACK 2B可以使用12個(gè)33 mOhm 1200V cool sic M1H MOSFET，從而實(shí)現(xiàn)PFC級(jí)和DC/ DC的初級(jí)側(cè)，如圖2（a）所示。此外，負(fù)溫度系數(shù)（NTC）電阻可以集成到模塊中，以監(jiān)控其內(nèi)部溫度。在DC/DC轉(zhuǎn)換器的次級(jí)側(cè)，EasyPACK 1B可以容納四個(gè)33 mOhm 1200V cool sic M1H MOSFET。然而，EasyPACK 1B公司提供了足夠的面積來(lái)容納高壓至低壓（HV/LV）DC/DC轉(zhuǎn)換器的初級(jí)側(cè)以及NTC，如圖2（b）所示。使用易派2B和易派1B，散熱器上22千瓦OBC的半導(dǎo)體開關(guān)所需的面積可以減少到43.4厘米。這種設(shè)計(jì)不僅實(shí)現(xiàn)了高功率密度，還減少了散熱面積，提供了更大的設(shè)計(jì)靈活性。

圖二。OBC的常見拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括PFC（a）DC/DC轉(zhuǎn)換器的初級(jí)側(cè)，（b）DC/DC轉(zhuǎn)換器的次級(jí)側(cè)，集成了高壓/低壓DC/DC轉(zhuǎn)換器的初級(jí)側(cè)。圖片由提供博多的電力系統(tǒng)

EasyPACK模塊中的半導(dǎo)體放置在直接鍵合銅（DBC）基板上。DBC的圖層如圖3所示。在頂部銅層上，半導(dǎo)體通過焊接和引線鍵合連接。頂層和底層之間的陶瓷材料（可以是鋁2O3、AlN或Si3N4）將半導(dǎo)體的高電位與地面隔離。這消除了功率半導(dǎo)體額外隔離層的必要性，這是減少生產(chǎn)中的材料清單和加工步驟的額外杠桿。由于采用了陶瓷層，DBC基板的另一個(gè)好處是在其使用壽命期間具有穩(wěn)定的隔離特性。

圖3。壓配合接觸區(qū)的橫截面【2】。圖片由提供博多的電力系統(tǒng)

EasyPACK模塊與印刷電路板（PCB）的連接通過壓配合引腳實(shí)現(xiàn)。壓配合引腳有一個(gè)鍍鋅的壓力區(qū)，可與FR4 PCBs形成冷焊接觸。焊接零件的橫截面如圖4所示。這種互連提供了一致和連續(xù)的低接觸電阻（低至0.05 mOhm【1】）。根據(jù)【2】，冷焊壓配合觸點(diǎn)的故障率非常低，比自動(dòng)焊接觸點(diǎn)的故障率低六分之一。

圖4。簡(jiǎn)易包裝中DBC的層次。圖片由提供博多的電力系統(tǒng)

與選擇性焊接相比，壓配合引腳的另一個(gè)好處是降低了生產(chǎn)復(fù)雜性。由于需要連接到散熱器的無(wú)源組件和模塊的高度，模塊位于通孔組件的觸針的相對(duì)側(cè)。按壓引腳時(shí)，必須選擇性焊接PCB上放置電容、連接器和變壓器等通孔元件觸點(diǎn)的一側(cè)。因此，使用壓配合引腳將模塊接觸到PCB減少了處理時(shí)間和處理復(fù)雜性；從而降低生產(chǎn)成本。

圖5。EasyPACK的結(jié)構(gòu)允許模塊和散熱器之間有一個(gè)較低的空腔。圖片由提供博多的電力系統(tǒng)

EasyPACK的另一個(gè)特點(diǎn)是其非常好的熱性能。EasyPACK模塊直接擰在散熱器上（見圖5）。EasyPACK模塊的這種結(jié)構(gòu)允許它們以非常低的空腔固定到散熱器上。DBC底側(cè)和散熱器之間的熱界面材料（TIM）層的最終厚度小于100 μm .如此薄的TIM層足以填滿空腔并確保熱阻極低的半導(dǎo)體與散熱器的連接。例如，EasyPACK中的80 mOhm 1200 V CoolSIC M1H可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)30 W的功耗，而不會(huì)超過T最大vj.

此外，螺紋EasyPACK與壓配合引腳相結(jié)合，消除了幾乎所有與機(jī)械和組裝工藝相關(guān)的公差，并降低了PCB上的機(jī)械應(yīng)力。

對(duì)車載充電器的需求日益增長(zhǎng)

對(duì)具有更高額定功率（如11千瓦和22千瓦）的obc的需求不斷增長(zhǎng)，這需要更高的垂直集成度和更容易的制造能力來(lái)提高生產(chǎn)率并實(shí)現(xiàn)更好的規(guī)模經(jīng)濟(jì)。使用EasyPACK等集成電源模塊可以輕松滿足這些要求。例如，在DC/DC的PFC級(jí)和初級(jí)側(cè)使用單個(gè)EasyPACK 2B，在DC/DC的次級(jí)側(cè)使用單個(gè)EasyPACK 1B，可以將功率半導(dǎo)體集中在43.4 cm區(qū)域內(nèi)的800 V 22 kW OBC中。通過集成H橋作為高壓/低壓DC/DC轉(zhuǎn)換器的初級(jí)側(cè)，EasyPACK 1B在DC/DC次級(jí)的應(yīng)用可以進(jìn)一步擴(kuò)展，從而將組合系統(tǒng)的功率密度提高到更高水平。

高功率密度、集成隔離、快速穩(wěn)定的制造能力以及壓配合引腳帶來(lái)的較低裝配率，使現(xiàn)有的EasyPACK模塊系列通過了AQG324認(rèn)證，是滿足11 kW及以上額定功率車載充電系統(tǒng)需求的絕佳解決方案。

Infineon Technologies -- Koray Yilmaz 、 Christoph Sch?fer