作者：Martin Schulz 博士，应用工程全球负责人；Philippe Di Fulvio，电动汽车基础设施业务发展经理，Littelfuse
 
 
为了提高消费者对电动汽车 (EV) 的接受度，设计人员需要解决快速充电的挑战，以最大限度地减少车辆闲置时间，尤其是对于长途驾驶而言。为了实现快速充电，设计人员需要提高充电器的功率输出、功率密度和效率。单个单元充电器设计范围从 7 kW 到 30 kW。将单个单元组件组合到模块化设计中可提高功率输出，并使充电器制造商实现更小的面积、更高的灵活性和可扩展性的目标。在先进的隔离式封装中使用有源功率元件，可实现更高的功率密度并显著减少电路设计中的热管理工作，从而解决大功率充电的挑战。


电动汽车使用量的增加也是电力公司管理因电动汽车电池充电而产生的大负载的挑战。公用事业公司正在研究两种车辆到电网技术。第一项技术 V1G 被称为智能充电。在这项技术中，公用事业公司将通过控制电动汽车开始充电的时间和供应能量的大小来分配能量负载，以最大限度地减少需求峰值。第二种技术，V2G，双向充电，将控制充电的时间和容量以及充电的方向。该公用事业公司可以将充电电池中的电力拉回电网，为另一辆车供电，以减少高峰需求。这种方法对于车队来说可能具有成本效益，因为有助于调峰可以被认为是一项有价值的服务。例如，大多数校车只在白天运行，并且可以整夜充电和共享电力。更大的车队，例如在美国运营的 500,000 辆校车，可以作为高度分散的能源存储进行控制。在美国暑假期间闲置 100 天，可用电池容量可增长到 GWh 左右。在为 V2G 技术做准备时，设计人员将需要开发双向充电器，该充电器也可以为电网供电。与单向充电器相比，双向设计更加复杂，需要更多元件、额外的功耗管理工作和复杂的控制算法。
 
处理更高的功率需要高功率半导体的先进封装
图 1 展示了一种双向电源拓扑，该拓扑在8个半桥组中使用16个碳化硅功率MOSFET。设计人员会利用更多的并联分立功率 FET 来实现更高的功率，从而使充电/放电系统设计变得更加困难。分立式功率 FET 封装通常是 D²PAK 或 TO-247 封装。当设计输出功率水平超过 30 kW 时，先进封装提供支持所需高输出功率的元件。图 2 显示了封装选项及其功率处理能力。每个封装选项都根据印刷电路板 (PCB) 布局复杂性、组装难度、输出功率和散热量进行评级。表面贴装功率器件(SMPD) 封装为设计人员提供了功率能力、功耗以及易于布局和组装的最佳组合。
 
采用先进隔离封装的表面贴装功率器件
 

图 1. 具有多级功率转换的双向充电器电路
 

图2 封装功率能力及封装性能对比
 
实现更高功率密度的 SMPD 封装
设计人员可以使用 SMPD 来容纳各种电压等级和电路拓扑（包括半桥）的各种芯片技术。图 3 给出了Littelfuse的 SMPD 封装示例。 SMPD 采用直接铜键合 (DCB) 基板，带有铜引线框架、铝键合线和半导体周围的塑料模塑料。 DCB 结构提供高隔离强度，并允许在单个载体上进行具有高散热能力的多半导体排列。 DCB 中裸露的铜层使连接到散热器的表面积最大化。将铜引线框架与铝焊线相结合可以简化焊接和组装。
 
 

图 3. 表面贴装功率器件 (SMPD) 封装的示例结构（来源： Littelfuse ）
 
本示例中的 SMPD 封装设计具有以下几个优点：
 

• UL认证，额定绝缘电压高达2500 V
• 与其它半导体封装（例如 TO 型器件）相比，热阻更低。
• SMPD 提供比 TO 型封装更高的载流能力。
• 由于半导体芯片和散热器之间的低寄生耦合电容，降低了辐射 EMI。
• 最大限度地利用半导体的能力，以及由于封装的低杂散电感导致的低电压过冲。
• 在启用定制拓扑方面具有更大的灵活性，包括晶闸管、功率二极管、MOSFET 和 IGBT。
• 由于背面隔离，所有功率半导体都可以安装在单个散热器上。

 
图4突出显示了SMPD封装如何将元件数量减少近一半，从而实现更高的功率、更大的功率密度和更小的装配尺寸。本示例中的每个封装包含两个功率MOSFET，作为SMPD封装中可用的多个电路配置的一个示例。


图 4. 基于 SMPD 封装的双向充电器，与使用分立器件相比，可将元件数量减少一半。
 
以更小的封装提供更高的功率
设计人员可以增加充电器的功率，从而提高功率密度。 通过采用 SMPD 封装，设计人员可以开发输出高达 50 kW 的单个功率单元，而无需并联元件。 使用 SMD 式功率元件可以用更少的元件降低制造成本。 表面贴装封装设计，例如 Littelfuse 的封装设计，可以通过低热阻封装技术最大限度地减小散热器尺寸和成本。 由于寄生电容和杂散电感较低，这种封装可以降低辐射和传导 EMI。 设计人员可以通过在更高频率下工作来使用更小的电感器，从而节省空间和成本。 SMPD 功率器件封装可帮助设计人员克服在不显著增加所构建系统的尺寸和重量的情况下增加输出功率的挑战。
 
 
欲了解更多信息，请下载 Littelfuse公司提供的应用说明《SMPD封装的安装和冷却解决方案》。
 
www.littelfuse.com