電動(dòng)汽車車載充電器中的寬帶隙 (WBG) 晶體管

更高功率密度和更高效的車載充電器設(shè)計(jì)的重要方面和解決方案

汽車行業(yè)的發(fā)展和創(chuàng)新在汽車設(shè)計(jì)的幾乎所有方面都在快速發(fā)展，包括底盤(pán)、動(dòng)力總成、信息娛樂(lè)、連接和駕駛輔助系統(tǒng)。由于駕駛員的擔(dān)憂和壓力增加，對(duì)電池電動(dòng)汽車 (BEV)的快速和廣泛采用提出挑戰(zhàn)的一個(gè)主題是為這些車輛充電所需的時(shí)間——尤其是在長(zhǎng)途公路旅行中。車載充電器 (OBC)的設(shè)計(jì)是一個(gè)受到比大多數(shù)人更嚴(yán)格審查的領(lǐng)域。?

為了尋求更高功率密度和更高效的 OBC，設(shè)計(jì)人員正在尋求先進(jìn)技術(shù)，通過(guò)從當(dāng)前的基于硅的解決方案轉(zhuǎn)向使用寬帶隙 (WBG) 材料的功率半導(dǎo)體技術(shù)，從而在創(chuàng)新中邁出新的一步，例如如碳化硅和氮化鎵. 與基于硅器件的傳統(tǒng)拓?fù)湎啾?，一?WBG 器件的改進(jìn)的品質(zhì)因數(shù) (FoM) 被充分理解，創(chuàng)新的想法可以幫助設(shè)計(jì)人員開(kāi)發(fā)具有更高開(kāi)關(guān)頻率的新拓?fù)?，而調(diào)制方案不可能或過(guò)于復(fù)雜之前實(shí)施。此外，有效的熱設(shè)計(jì)（即包括新冷卻概念的創(chuàng)新封裝）為即將到來(lái)的 OBC 設(shè)計(jì)在功率密度和效率方面開(kāi)辟了前景。?

本文確定了 OBC 設(shè)計(jì)的趨勢(shì)，比較了半導(dǎo)體技術(shù)之間的 FoM，并介紹了新的表面貼裝器件 (SMD) 封裝。綜合解決方案帶來(lái)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，提供更高的效率和功率密度，并實(shí)現(xiàn)將電動(dòng)汽車集成到智能電網(wǎng)的雙向性。?

OBC 趨勢(shì)

OBC 的作用是將來(lái)自電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為可用于為牽引電池充電的直流電壓。因?yàn)?OBC 只能在車輛停止時(shí)執(zhí)行此功能，而 DC/DC 只能在車輛移動(dòng)時(shí)執(zhí)行，所以這個(gè)概念增加了額外的重量，必須隨身攜帶但也需要冷卻。因此，必須最小化 OBC 和 DC/DC 的尺寸和重量，以減少其對(duì)行駛里程的影響以及e-Powertrain 車廂中占用的體積，同時(shí)仍允許快速高效的充電。?

同樣，在未來(lái)電網(wǎng)法規(guī)向智能電網(wǎng)發(fā)展的影響下，以及為停電或自然災(zāi)害提供應(yīng)急電源的可能性，OBC也受到它們需要允許雙向電力流動(dòng)這一事實(shí)的影響。 .?

在確定 OBC 設(shè)計(jì)師面臨的五個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)時(shí)，這些方面密切相關(guān)且相互關(guān)聯(lián)：?

功率等級(jí)不斷增加以加快充電時(shí)間。當(dāng)前的插電式混合動(dòng)力汽車和 BEV 具有 3.6 至 7.2 kW 功率等級(jí)的 OBC。原始設(shè)計(jì)制造商在未來(lái)三到五年內(nèi)為下一代電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)的當(dāng)前 OBC 設(shè)計(jì)正在上升到 7.2 到 11 kW 的功率等級(jí)范圍。對(duì)于配備 800 V 電池的豪華車或高端汽車，OBC 可設(shè)計(jì)為高達(dá) 22 kW。?

功率密度的增加意義重大，因?yàn)樗馕吨叽绾椭亓康臏p小，有助于擴(kuò)大電動(dòng)汽車的行駛里程。提高效率不僅減少了 OBC 內(nèi)的熱量積聚（由于減少了熱管理，從而減小了尺寸并增加了功率密度），而且還允許將來(lái)自有限電網(wǎng)的更多能量傳遞給牽引電池，從而減少充電時(shí)間.?

效率的提高與前兩個(gè)趨勢(shì)密切相關(guān)。如果沒(méi)有更高效的電源轉(zhuǎn)換器，就不可能以更高的功率密度實(shí)現(xiàn)更高的功率等級(jí)。同樣，可能會(huì)引入針對(duì) OBC 轉(zhuǎn)換器效率目標(biāo)的額外規(guī)定，例如油箱到車輪的效率。?

雙向操作的要求是 OBC 設(shè)計(jì)人員面臨的另一大挑戰(zhàn)。隨著電動(dòng)汽車變得越來(lái)越普遍，電網(wǎng)的壓力將顯著增加，尤其是當(dāng)人們?cè)诿刻焱ㄇ诤蟮耐砩辖o車輛充電時(shí)。電力供應(yīng)商認(rèn)識(shí)到，電動(dòng)汽車中存儲(chǔ)的大量能量可能不會(huì)立即需要。這可以返回到電網(wǎng)或用于在高峰時(shí)間為單個(gè)房屋供電，以減少高峰能源需求。然而，要做到這一點(diǎn)，OBC 需要能夠?qū)⒛芰繌臓恳姵貍鬏敾仉娋W(wǎng)，而不是僅僅為 EV 充電。?

電池電壓正在增加。盡管 400-V 電池在未來(lái)五年多仍將是主流，但 800-V 電池已經(jīng)變得越來(lái)越有吸引力。主要?jiǎng)訖C(jī)主要是在充電和向牽引電機(jī)輸送能量時(shí)減少電纜中的電流和相關(guān)的 I 2 R 損耗。?

圖 1 著眼于最重要的趨勢(shì)以及 OBC 設(shè)計(jì)中的相應(yīng)影響以及每個(gè)趨勢(shì)的關(guān)鍵解決方案促成因素。?

圖 1：OBC 設(shè)計(jì)趨勢(shì)對(duì)電源設(shè)計(jì)人員提出了若干挑戰(zhàn)?

所選擇的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)于應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)至關(guān)重要，所使用的技術(shù)也是如此——尤其是對(duì)于開(kāi)關(guān)組件。在大多數(shù)情況下，WBG 解決方案可以為提供所需的性能優(yōu)勢(shì)做出重大貢獻(xiàn)。?

Si、SiC 和 GaN 之間的品質(zhì)因數(shù)和技術(shù)差異

分析哪種 WBG 設(shè)備適合 OBC 應(yīng)用的第一步是比較每種技術(shù)的不同 FoM。這些總結(jié)在圖 2 中。?

圖 2：英飛凌提供的不同技術(shù)之間的 FoM 比較?

這些 FoM 中的每一個(gè)都有不同的含義，并量化了不同拓?fù)渲写嬖诘暮x。值得一提的是，包括RDS( on)溫度系數(shù)在內(nèi)的FoM值越低，該技術(shù)在應(yīng)用中的定位就越好。正確選擇技術(shù)不是僅選擇一種 FoM，而是選擇它們的組合。?

例如，R DS( on) × Q rr + R DS( on) × E oss + R DS( on )溫度系數(shù)的組合表明 SiC 或 GaN 是硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用的最佳候選者，例如連續(xù)導(dǎo)通模式圖騰柱功率因數(shù)校正（PFC），并具有最佳的性價(jià)比。另一方面，R DS( on) × Q oss + R DS( on) × Q g + V F的組合+ R DS( on)溫度系數(shù)表明 GaN 是最適合用于軟開(kāi)關(guān)應(yīng)用的技術(shù)，可在非常高的開(kāi)關(guān)頻率 (>400 kHz) 下工作。因此，通過(guò)減小磁性元件和其他無(wú)源器件的尺寸，以及在硅基難以實(shí)現(xiàn)的高功率密度設(shè)計(jì)中減少冷卻工作，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)級(jí)成本的降低匹配的解決方案。?

通過(guò)創(chuàng)新的封裝和冷卻方法進(jìn)行新的熱設(shè)計(jì)

在承認(rèn) WBG 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，設(shè)計(jì)人員還必須意識(shí)到提高熱性能在實(shí)現(xiàn)這些重要目標(biāo)方面起著至關(guān)重要的作用。?

在當(dāng)前的SMD 設(shè)計(jì)中，熱量的傳導(dǎo)路徑是向下的，通過(guò)元件的支腿進(jìn)入 PCB，PCB 與散熱器相連。在具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用中，功率組件可以安裝在絕緣金屬基板 (IMS) 上，從而提高熱性能，因?yàn)樗葮?biāo)準(zhǔn) FR4 材料具有更好的熱導(dǎo)體。然而，熱量的自然傾向是上升，使得底部冷卻 (BSC) 似乎有些違反直覺(jué)。?

通過(guò)創(chuàng)新封裝，英飛凌開(kāi)發(fā)了頂部冷卻 (TSC)分立半導(dǎo)體和 IC。這一概念不僅利用了熱量的自然向上流動(dòng)，而且提供了許多有利于 OBC 設(shè)計(jì)和其他類似應(yīng)用的額外好處。?

在 BSC 中，冷板/散熱器通常連接到 PCB/IMS 的底部以散熱。這排除了將組件放置在一側(cè)的可能性，從而將功率密度降低了 2 倍。此外，半導(dǎo)體器件與 PCB 熱粘合，這意味著它們將在相同的溫度下工作。由于 FR4 PCB 的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低于許多 WBG 器件的工作溫度，因此它們無(wú)法充分發(fā)揮其潛力。?

圖 3：TSC 允許雙面組件放置，從而使功率密度翻倍。?

通過(guò)將冷板粘合到功率組件的頂部，這些問(wèn)題很容易解決，允許將組件放置在兩側(cè)，并且可以在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)使用 WBG 設(shè)備。?

由于 IMS 通常涉及為驅(qū)動(dòng)器和無(wú)源元件使用單獨(dú)的 FR4 PCB，柵極驅(qū)動(dòng)器和晶體管之間可能存在很大距離，這不可避免地會(huì)增加導(dǎo)致振鈴的寄生效應(yīng)，這在使用 WBG 器件時(shí)是一個(gè)非常微妙的話題.?

圖 4：雙面組件允許較短的柵極走線，從而消除了寄生效應(yīng)。

由于 TSC 允許將所有組件放置在同一雙面 PCB 上，因此驅(qū)動(dòng)器可以直接放置在相應(yīng)的晶體管下方，從而消除了 PCB 引起的寄生效應(yīng)。這提高了系統(tǒng)性能并延長(zhǎng)了 MOSFET 的使用壽命。?

存在多種將晶體管封裝熱粘合到散熱器/冷板的選項(xiàng)。一般來(lái)說(shuō)，最直接的方法是在 MOSFET 和散熱器之間放置一個(gè)導(dǎo)熱的間隙填充墊。厚度約為 0.5 毫米，這提供了最佳的熱性能，前提是間隙填充物中的任何空隙都得到了解決。?

圖 5：間隙填充物是首選的熱粘合方法，為 HV 應(yīng)用添加了絕緣體。

在高壓應(yīng)用中，填隙劑在晶體管和導(dǎo)電散熱器之間提供足夠的電氣隔離方面并不可靠。在這種情況下，大約 0.1 mm 的隔熱材料被放置在間隙填充物和散熱器之間，以提供適當(dāng)水平的電氣隔離，同時(shí)保持出色的熱性能。?

英飛凌的QDPAK (PG-HDSOP-22-1)器件專門設(shè)計(jì)用于利用 TSC 的優(yōu)勢(shì)。提供多種功能以適應(yīng)不同的應(yīng)用。提供了一個(gè)開(kāi)爾文源引腳以實(shí)現(xiàn)高水平的可控性和滿載效率。對(duì)稱的平行引線布局可確保 PCB 的機(jī)械穩(wěn)定性以及易于組裝和測(cè)試。?

圖 6：支持 TSC 的 QDPAK 具有多種可制造性/組裝優(yōu)勢(shì)。?

WBG 器件支持的具有雙向功率流的拓?fù)?/strong>