現(xiàn)代電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載充電器的高效散熱管理設(shè)計(jì)

在本技術(shù)白皮書(shū)中，英飛凌審視了車(chē)載充電器設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)，細(xì)致深入地考察了半導(dǎo)體封裝對(duì)于打造解決方案所起的作用。本文還探討了一種頂部散熱的創(chuàng)新方法，該方法可用于一系列高性能元器件，以供設(shè)計(jì)人員選用。

汽車(chē)行業(yè)發(fā)展創(chuàng)新突飛猛進(jìn)，從底盤(pán)到動(dòng)力總成，從信息娛樂(lè)系統(tǒng)到聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)化系統(tǒng)，汽車(chē)設(shè)計(jì)的方方面面都有著日新月異的進(jìn)步。然而，為人詬病的電動(dòng)汽車(chē)（EV）充電用時(shí)問(wèn)題（特別是在旅途中充電）帶來(lái)的巨大不便，阻礙了電動(dòng)汽車(chē)的推廣普及，因此，車(chē)載充電器（OBC）設(shè)計(jì)或許將成為備受關(guān)注的領(lǐng)域。 ? 同應(yīng)對(duì)大多數(shù)工程挑戰(zhàn)一樣，設(shè)計(jì)人員把目光投向先進(jìn)技術(shù)，以期利用現(xiàn)代硅超結(jié)（SJ）技術(shù)以及諸如碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等寬禁帶（WBG）材料來(lái)提供解決方案。但半導(dǎo)體材料只是解決方案的一部分。任何車(chē)載充電器設(shè)計(jì)想要充分發(fā)揮其在功率密度和能效方面的潛力，都離不開(kāi)高效散熱設(shè)計(jì)。 ? 英飛凌審視了車(chē)載充電器設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)，細(xì)致深入地考察了半導(dǎo)體封裝對(duì)于打造解決方案所起的作用。本文還探討了一種頂部散熱的創(chuàng)新方法，該方法可用于一系列高性能元器件，以供設(shè)計(jì)人員選用。

? 現(xiàn)代電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載充電器—設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)

車(chē)載充電器的作用是將來(lái)自電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，以用于為動(dòng)力電池充電。車(chē)載充電器僅在汽車(chē)停放并連接充電電纜時(shí)執(zhí)行這項(xiàng)功能。汽車(chē)行駛時(shí)則只能一路載著這個(gè)重物，因此，必須最大限度地減小車(chē)載充電器的尺寸和重量，以減輕其對(duì)續(xù)航里程的影響，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)快速高效充電。 ?

另一個(gè)挑戰(zhàn)是車(chē)載充電器功率等級(jí)增長(zhǎng)迅猛。 幾年前，3.6 kW還是最先進(jìn)的技術(shù)，而在不久的將來(lái)，功率將提高至三倍左右，也就是說(shuō)，在占用相同空間的情況下，功率可達(dá)到11 kW。 ? 車(chē)載充電器設(shè)計(jì)人員面臨著五大相互關(guān)聯(lián)的挑戰(zhàn)。其中，提高功率密度尤為重要，因?yàn)檫@意味著可縮小尺寸和降低重量，而這有助于延長(zhǎng)電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程。提高能效不僅可以減少車(chē)載充電器內(nèi)部的熱量積聚（這降低了散熱管理要求，因而可以減小車(chē)載充電器的尺寸并相應(yīng)地提高功率密度），還能從電網(wǎng)供給更多電能為動(dòng)力電池充電，從而縮短實(shí)際充電時(shí)間。 ? 動(dòng)力電池電壓不斷提高，典型電壓已從400 V升至800 V，這主要是為了降低充電時(shí)和向主驅(qū)電機(jī)輸送電能時(shí)電纜中傳輸?shù)?a href="http://www.ttokpm.com/tags/電流/" target="_blank">電流及相關(guān)I2R損耗。 ?

圖1 OBC設(shè)計(jì)對(duì)電力電子設(shè)計(jì)人員提出了一系列挑戰(zhàn) ? 雙向運(yùn)行要求對(duì)車(chē)載充電器設(shè)計(jì)人員提出了另一個(gè)挑戰(zhàn)。隨著電動(dòng)汽車(chē)越來(lái)越普及，電網(wǎng)承受的壓力將大幅增加，特別是人們可能會(huì)在同一時(shí)段給汽車(chē)充電（譬如，每天通勤結(jié)束后在夜間充電）。 ? 電力供應(yīng)商認(rèn)識(shí)到，電動(dòng)汽車(chē)中儲(chǔ)存的大量電能，既可以用于穩(wěn)定交流電網(wǎng)，也可以在高峰時(shí)段為住宅供電，以降低用電峰值需求。此外，當(dāng)交流電網(wǎng)發(fā)生故障（停電）時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)可以充當(dāng)“家用電池”。然而，要做到這一點(diǎn)，車(chē)載充電器需要在接收電能之外，還能從動(dòng)力電池饋出電能。 ? 為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，拓?fù)浜图夹g(shù)的選用都很重要，特別是對(duì)于開(kāi)關(guān)元件。在大多數(shù)情況下，WBG解決方案將有助于提供所需要的性能優(yōu)勢(shì)。 ? 然而，雖然知道WBG技術(shù)的益處，設(shè)計(jì)人員還必須考慮，改善散熱性能對(duì)于實(shí)現(xiàn)這些重要目標(biāo)有著至關(guān)重要的作用。 ?

頂部散熱——概述和優(yōu)點(diǎn)

汽車(chē)環(huán)境對(duì)于電子組件存在很多危害因素，包括灰塵、污垢和液體，有鑒于此，電動(dòng)汽車(chē)中的大多數(shù)電子系統(tǒng)都通過(guò)密封加以保護(hù)。這種情況不允許使用強(qiáng)制風(fēng)冷式散熱，因此，散熱管理通常是將大功率元器件產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)的冷卻液。 ? 一般來(lái)說(shuō)，大功率SMD元器件的導(dǎo)熱路徑是從功率器件向下傳導(dǎo)至PCB，PCB則鍵合在散熱板上。這種方式被稱(chēng)為“底部散熱”（BSC）。 ? 在散熱任務(wù)艱巨的應(yīng)用中，可以將功率器件貼裝在絕緣金屬基板（IMS）上，這樣做可以?xún)?yōu)化散熱性能，因?yàn)榻^緣金屬基板的導(dǎo)熱性?xún)?yōu)于帶散熱通孔的FR4。然而，底部散熱方法總是要在散熱性能與電路板空間利用率之間謀求折衷。 ? 通過(guò)創(chuàng)新封裝，英飛凌研制出適用于功率分立器件和功率IC的頂部散熱（TSC）技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)有許多優(yōu)點(diǎn)，所有這些優(yōu)點(diǎn)都能讓車(chē)載充電器設(shè)計(jì)和其他類(lèi)似應(yīng)用受益。 ? 底部散熱通常將散熱板安裝到PCB/IMS底部進(jìn)行散熱。這樣就有一個(gè)面不能放置元件，因而使功率密度降低一半。半導(dǎo)體器件與PCB鍵合在一起散熱，意味著它們將在相同溫度下工作。FR4的Tg低于許多現(xiàn)代功率器件的工作溫度，這限制了這些器件充分發(fā)揮其潛力。

圖2：TSC允許將元器件放置在電路板的兩個(gè)面，從而使功率密度翻番 ?

通過(guò)將散熱板鍵合在功率元器件的頂部，這些問(wèn)題迎刃而解，不僅兩面都可以放置元器件，而且WBG器件能夠在其整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。 ? 雖然IMS的散熱性能優(yōu)于FR4，但它也加劇了復(fù)雜度。事實(shí)上，許多IMS解決方案都變成多板裝配，即，IMS僅用于功率器件，F(xiàn)R4則用于驅(qū)動(dòng)器和無(wú)源器件。這令設(shè)計(jì)和制造變得極為復(fù)雜。然而，最近的一份拆解報(bào)告顯示，現(xiàn)實(shí)中的這種裝配使用了169個(gè)連接器——而等效的頂部散熱設(shè)計(jì)只需要41個(gè)。① ?

圖3：簡(jiǎn)潔的TSC裝配所需連接數(shù)量可減少最多76% ?

改為單板TSC設(shè)計(jì)可以少用128個(gè)連接器，這既節(jié)省了成本又降低了復(fù)雜度，而且在無(wú)形中化解了這些連接器造成的可靠性問(wèn)題。還省下了IMS的成本，根據(jù)拆解報(bào)告的分析，裝配成本降低了三分之一。 ? 散熱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)是半導(dǎo)體結(jié)與散熱板之間的熱阻，因?yàn)檫@個(gè)參數(shù)定義了傳導(dǎo)熱量的能力。散熱仿真表明，在FR4上采用頂部散熱的熱阻，比在FR4上采用底部散熱改善了35%，甚至比在IMS上采用底部散熱也略有改善，而成本卻大大降低。

圖4：盡管成本更低，TSC的性能卻優(yōu)于底部散熱IMS設(shè)計(jì) ? FR4本身的散熱限制與此有關(guān)，這是一項(xiàng)安全要求。在底部散熱方案中，MOSFET鍵合在FR4上，這意味著FR4的溫度非常接近于半導(dǎo)體結(jié)溫。FR4的溫度限制意味著MOSFET的工作溫度亦受限于此，因而無(wú)法充分發(fā)揮其潛力。在頂部散熱方案中，MOSFET與FR4并未鍵合在一起散熱，因此MOSFET可以在更高溫度下運(yùn)行。 ? 使用IMS時(shí)通常需要將驅(qū)動(dòng)器和無(wú)源器件貼裝在單獨(dú)的FR4 PCB上，因此，柵極驅(qū)動(dòng)器與MOSFET之間可能存在較大距離，這不可避免地加劇了寄生效應(yīng)，從而導(dǎo)致振鈴。 ?

圖5：采用頂部散熱的SMD功率器件?

可縮短?hào)艠O軌跡減少寄生效應(yīng) ? TSC允許將所有元器件放置在同一個(gè)雙面PCB上，因此，可以將驅(qū)動(dòng)器直接放置在相應(yīng)的MOSFET的下方，從而顯著減少PCB引起的寄生效應(yīng)。這將提升系統(tǒng)性能，產(chǎn)生更干凈的波形，從而降低功率元器件上的電氣應(yīng)力。 ?

裝配考慮事項(xiàng)

如前文所討論的，典型的TSC裝配通常比等效的底部散熱方案更為簡(jiǎn)單，其中一個(gè)很重要的原因是它僅使用一個(gè)電路板并且所需連接數(shù)量顯著減少。 ?

直接將散熱片安裝到位于PCB頂部的發(fā)熱MOSFET封裝上進(jìn)行散熱。薄型元件也放置在這一側(cè)，厚型元件則放置在下面。英飛凌在開(kāi)發(fā)HDSOP系列時(shí)，已確保每個(gè)元件的標(biāo)稱(chēng)高度均為2.3 mm。這樣的統(tǒng)一高度大大簡(jiǎn)化了散熱板，無(wú)需進(jìn)行機(jī)械加工，即使在同一個(gè)設(shè)計(jì)中使用了不同的功率半導(dǎo)體技術(shù)，也可以使用更為優(yōu)化的散熱片。 ?

圖6：所有HDSOP器件均實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一高度大大簡(jiǎn)化了散熱片設(shè)計(jì)和裝配 ? 有多種方法可將MOSFET封裝與散熱板鍵合到一起進(jìn)行散熱。一般而言，最簡(jiǎn)單的方法是在MOSFET與散熱片之間放置一個(gè)導(dǎo)熱填縫墊片。經(jīng)優(yōu)化的填縫料高度可以實(shí)現(xiàn)最佳散熱性能，但前提條件是填縫料填滿(mǎn)不留空隙。此外，液體填縫材料可用于全自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)。 ?

圖7：填縫料是首選散熱鍵合方法，加裝絕緣片可滿(mǎn)足更高安全要求 ? 盡管填縫料已能夠在MOSFET與導(dǎo)熱散熱片之間實(shí)現(xiàn)足夠的電隔離，還可以在填縫料與散熱片之間加裝一片絕緣墊片，以便在不明顯降低散熱性能的情況下提供適當(dāng)?shù)碾姎飧綦x水平，從而滿(mǎn)足更高安全要求。 ?

英飛凌QDPAK——高級(jí)TSC解決方案

? 英飛凌QDPAK器件經(jīng)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，可以充分利用TSC的優(yōu)勢(shì)，并提供多種特性以滿(mǎn)足不同應(yīng)用的要求。這個(gè)系列的器件均為標(biāo)稱(chēng)尺寸20.96 mm x 15.00 mm、統(tǒng)一高度2.3 mm，以便輕松裝配。 ? QDPAK器件能夠?qū)崿F(xiàn)高功率耗散，并且具備多個(gè)專(zhuān)門(mén)用于漏極和源極連接的引腳，因此它們非常適于大電流工作。采用開(kāi)爾文源極引腳來(lái)確保高度可控性和滿(mǎn)載效率，以支持高頻工作，實(shí)現(xiàn)功率密度目標(biāo)。對(duì)稱(chēng)平行引線(xiàn)布局確保了PCB的機(jī)械穩(wěn)定性，同時(shí)也便于裝配和測(cè)試。

圖8：實(shí)現(xiàn)了頂部散熱（TSC）的QDPAK可為制造/裝配帶來(lái)許多益處 ? 作為標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，QDPAK（PG-HDSOP-22-1）可在最高450 V工作電壓下提供3.20 mm爬電距離②，適用于400 V以下電池電壓等級(jí)的大多數(shù)應(yīng)用。對(duì)于更具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用，HV QDPAK（PG-HDSOP-22-3③）采用I級(jí)塑封料，并在封裝中留出凹槽，使爬電距離增至4.80 mm，可支持950 V工作電壓。 ?

總結(jié)

雖然在利用功率解決方案來(lái)不斷提高能效和功率密度這場(chǎng)較量中，寬禁帶（WBG）半導(dǎo)體材料占據(jù)了新聞?lì)^條，但高效散熱管理在實(shí)現(xiàn)電氣性能以及降低尺寸、重量和成本方面起著重要作用。 ? 創(chuàng)新封裝設(shè)計(jì)，如英飛凌的QDPAK，可以實(shí)現(xiàn)頂部散熱（TSC）。在這種設(shè)計(jì)中，熱量從封裝頂部經(jīng)由導(dǎo)熱介質(zhì)直接流向散熱板。這種方法有許多優(yōu)點(diǎn)，包括散熱性能優(yōu)于等效的IMS解決方案。更為簡(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)避免了多板裝配，減少了元器件數(shù)量和成本（尤其是連接器）。得益于此，性能顯著提高，裝配時(shí)間和成本也有所縮短和降低。通過(guò)充分利用電路板的兩個(gè)面，大幅提高了功率密度，同時(shí)也減少了系統(tǒng)中的寄生元素。 ? 雖然頂部散熱（TSC）可能看起來(lái)很“新”，并且在許多方面確實(shí)很“新”，但這個(gè)解決方案真正的優(yōu)點(diǎn)在于，它使用經(jīng)反復(fù)檢驗(yàn)的技術(shù)，如填縫料或結(jié)合導(dǎo)熱介質(zhì)，打造出既簡(jiǎn)練又極為可靠的解決方案。 ? 參考資料：

[1]基于A2Mac1 – 基準(zhǔn)數(shù)據(jù)即服務(wù)（Benchmarking Data as a Service），反向工程研究報(bào)告https://portal.a2mac1.com/

[2]根據(jù)DIN VDE 0100 / IEC 60664-1標(biāo)準(zhǔn)II類(lèi)材料

編輯：黃飛

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