器件封装是有效热管理的关键

日期:2022-03-26

作者 :Daniel Makus,xEV 和 EV 充电全球应用经理 ;Severin Kampl,高压电源转换高级应用工程师,英飞凌科技
 
在汽车行业内,从底盘到动力总成、信息娱乐、连接性和自动化,汽车设计的几乎所有方面都在快速发展和创新。然而,由于电动汽车(EV)充电所需的时间——尤其是在旅途中——被认为是阻碍其采用的一个重大不便,车载充电器(OBC)的设计可能比大多数领域都受到更多的审查。
与大多数工程挑战一样,设计师们正在寻求先进技术,以提供现代硅超级结(SJ)技术和宽带隙(WBG)材料(如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN))的解决方案。然而,半导体材料只能是解决方案的一部分。如果没有有效的热工程,任何OBC设计都无法在功率密度和效率方面充分发挥其潜力。
在该技术白皮书中,英飞凌将考虑OBC设计者面临的挑战,并详细研究半导体封装在交付解决方案中所起的作用。将讨论一种创新的顶部冷却方法,该方法支持一套集成的高性能组件,供设计师选择。
 
电动OBC设计的挑
OBC的作用是将来自电网的交流电源转换为直流电压,用于为牵引蓄电池充电。OBC仅在车辆停驻并通过充电电缆连接时执行此功能。当车辆移动时,它只是一个必须随身携带的重量;OBC的尺寸和重量必须最小化,以减少其对里程的影响,同时仍允许快速高效充电。另一个挑战是OBC中权力等级的快速增加。虽然几年前3.6kW是最先进的,但在不久的将来,我们可以讨论大约三倍更高的功率,即在同样的空间考虑11kW。
OBC设计师面临五个相互关联的关键挑战。功率密度的增加尤其重要,因为这意味着尺寸和重量的减少,这本身将有助于扩大电动汽车的范围。提高效率不仅可以减少OBC内的热量积聚(由于热管理的减少,OBC的尺寸减小,功率密度增加),还可以从有限的电网源输送更多的能量给牵引蓄电池充电,从而缩短有效充电时间。
牵引蓄电池电压正在增加——典型的400V电压正在变为800V——主要是为了减少充电和向牵引电机输送能量时电缆中的电流和相关I2R损耗。
 

 
图1:OBC设计给电源设计师带来了许多挑战
 
双向运行的要求对OBC设计师来说是一个进一步的挑战。随着电动汽车变得越来越普遍,电网上的压力将显著增加,尤其是当人们希望在同一时间给车辆充电时(例如,在每天通勤后的晚上)。电力供应商认识到,电动汽车中储存了大量能量,既可以用于稳定交流电网,也可以在高峰时间为单个房屋供电,以减少峰值需求。此外,当交流电网出现故障(停电情况)时,电动汽车可以充当“家用电池”。然而,要做到这一点,OBC需要能够从牵引蓄电池传输能量并接收能量。
为了应对这些挑战,选择的拓扑结构和使用的技术都很重要,尤其是开关元件。在大多数情况下,WBG解决方案将大大有助于提供所需的性能优势。
然而,在了解WBG技术所提供的好处的同时,设计者也必须考虑到改进的热性能将在实现这些重要目标方面起着关键的作用。
 
顶部冷却——概述和优点
鉴于汽车环境对电子组件有很多危害,包括灰尘、污垢和液体,电动汽车中的大多数电子系统都是密封的,以进行保护。这就排除了作为冷却手段的强制空气,因此,热管理通常涉及将热量从高功率部件传导到电动汽车中的液体冷却剂。
一般来说,大功率SMD组件的传导路径是从电源组件向下进入PCB,PCB与冷板相连。这被称为“底部冷却”(BSC)。在具有挑战性的应用中,功率元件可以安装在绝缘金属基板(IMS)上,这可以提高热性能,因为它是比带热通孔的FR4更好的热导体。然而,BSC始终是热性能和PCB利用率之间的折衷方案。
通过创新的封装,英飞凌已经开发出分立半导体和功率IC能够进行顶部侧冷却(TSC)的能力。该选项提供了许多额外的好处,所有这些都有利于OBC设计和其他类似应用。
在底部冷却中,通常将冷板连接到PCB/IMS的底部以散热。这就排除了将组件放置在一侧的可能性,这样可以将功率密度降低两倍。半导体器件与PCB热连接,这意味着它们将在相同的温度下工作。由于FR4的Tg低于许多现代功率器件的工作温度,因此无法充分发挥其潜力。
 

图2:TSC允许双面元件放置,允许功率密度加倍
 
通过将冷板连接到电源组件的顶部,可以解决这些问题,使组件可以放置在两侧,并且WBG器件能够在其整个工作温度范围内使用。
虽然IMS可以提供比FR4更高的性能,但它也带来了复杂性。事实上,许多IMS解决方案变成了一个多板组件,IMS仅用于功率器件,FR4用于驱动器和无源器件。这给设计和制造带来了极大的复杂性。然而,最近的一份拆卸报告显示,这种类型的真实装配使用了169个连接器——而等效的顶部冷却设计只需要41个。
 

 
图3:TSC组件的简单性通常可以消除多达76%的互连要求
 
转向单板TSC设计消除了128个连接器的成本和复杂性,以及与之相关的可靠性问题。IMS的成本被消除,根据拆卸报告,组装成本降低了三分之一。
热设计中的关键参数是半导体结和冷板之间的热阻,因为这定义了移动热能的能力。FR4上TSC的热仿真表明,它比FR4上的底侧冷却性能好35%,并且与IMS上的底侧冷却相比,热性能略有改善,从而显著节约了成本。
 

图4:尽管成本较低,但TSC提供了比底部冷却IMS设计更好的性能
 
FR4本身的热限制与此相关,这是一项安全要求。在底侧冷却的情况下,MOSFET连接到FR4,这意味着FR4的温度非常接近半导体结的温度。FR4的温度限制意味着MOSFET的工作温度受到限制,因此无法在其全电位下工作。在TSC方法中,MOSFET和FR4之间没有热键合,因此MOSFET可以在更高的温度下工作。
由于IMS的使用通常涉及为驱动器和无源元件使用单独的FR4 PCB,因此栅极驱动器和MOSFET之间可能存在很大的距离,这不可避免地增加了导致振铃的寄生效应。
 

图5:带有顶部冷却的SMD电源设备允许短栅极迹线,减少寄生
 
由于TSC允许将所有组件放置在同一个双面PCB上,因此驱动器可以直接放置在相应的MOSFET下方,从而显著减少PCB引起的寄生效应。这将提高系统性能,产生更清晰的波形,从而降低电源组件上的电应力。
 
装配注意事
如上所述,典型的TSC组件通常比等效的底侧冷却方法更简单,尤其是因为有一个单板,需要放置的互连显著减少。
散热器热连接至PCB顶部的发热MOSFET封装。轻薄的部件也可以放在这一侧,而较高的部件可以放在下面。在开发HDSOP系列时,英飞凌确保每个组件的标称高度为2.3 mm。这种均匀的高度大大简化了冷板,消除了加工的需要,即使在同一设计中使用不同的功率半导体技术,也可以使用更优化的散热器。
 

图6:所有HDSOP器件的统一高度大大简化了散热器的设计和组装
 
MOSFET封装与冷板的热粘合有多种选择。通常,最简单的方法是在MOSFET和散热器之间放置一个导热间隙填充垫。优化的间隙填料高度可提供最佳的热性能,前提是间隙填料中的任何空隙都得到解决。此外,当使用液隙填充材料时,生产线可以完全自动化。
 

图7:间隙填充物是首选的热粘合方法,添加绝缘体以提高安全要求
 
尽管间隙填充物能够在MOSFET和导电散热器之间提供足够的电气隔离,可以在间隙填料和散热器之间放置额外的隔离箔,以提供适当的电气隔离水平,而不会显著降低热性能,从而提高安全要求。
 
英飞凌的QDPAK——先进的TSC解决方案
英飞凌的QDPAK器件是专门为利用TSC的优势而设计的,并提供了多种功能以适应不同的应用。该系列器件的标称占地面积为20.96 mm x 15.00 mm,高度为2.3 mm,易于组装。
由于QDPAK器件能够耗散高功率,并且具有多个专门用于漏极和源极连接的引脚,因此它们非常适合大电流操作。开尔文源引脚提供了高水平的可控性和满载效率。对称平行引线布局确保PCB上的机械稳定性,以及易于组装和测试。
 

图8:支持TSC的QDPAK提供了许多可制造性/组装优势
 
作为标准配置,QDPAK(PG-HDSOP-22-1)在工作电压高达450 V时提供3.20 mm的爬电距离,涵盖了低于400 V电池等级的大多数应用。对于更具挑战性的应用,HV QDPAK(PG-HDSOP-22-3)将提供I级模塑化合物材料,并在封装中包括一个槽,将爬电距离增加到4.80 mm,从而实现950 V工作电压。
 
总结
虽然宽带隙(WBG)半导体材料在通过电源解决方案实现更高的效率和功率密度的战斗中占据了头条新闻,但有效的热管理在实现电气性能以及降低尺寸、重量和成本方面有着重要的目标。
创新的封装设计,如英飞凌的QDPAK,允许顶部冷却(TSC),其中热量通过热界面材料流经封装顶部,直接流向冷板。这种方法提供了许多好处,包括比同等的基于IMS的解决方案具有更好的热性能。更简单的结构消除了多板组件,减少了组件数量和成本(尤其是连接器)。因此,性能显著提高,组装时间和成本降低。使用电路板两侧的能力显著提高了功率密度,同时减少了系统中的寄生元件。
虽然TSC看起来很“新”,而且在很多方面都很“新”,但这种解决方案的真正优点在于,它使用了久经考验的技术,例如带有/不带有热界面材料的间隙填料,以生产出一种优雅、最重要的是可靠的解决方案。
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