为更高功率密度的 EV,车载充电器OBC 指明路线图

汽车行业的高度动态性意味着电动汽车 车载充电器 (OBC)的设计人员面临着一系列不断变化的目标，因为与效率和电网集成相关的法规不断受到审查和更新。

为了保持领先地位，设计人员现在正在追求雄心勃勃的目标，例如提高 OBC 高功率密度水平的重要性。如果昨天最先进的密度低于 2 kW/L，那么当前的设计正朝着 4 kW/L 发展，并假设到本世纪末增加到 6 kW/L 以上。制定长期实现这一数字的路线将是多方面的，需要新型电路拓扑结构中的宽带隙 (WBG) 半导体和封装板载组件的创新。

在本文中，英飞凌评估了 OBC 设计人员面临的直接挑战，并讨论了他们使用 WBG 设备方式的变化。它还考虑了热管理设备封装和组装技术如何有助于显着提高 OBC 功率密度，然后介绍两种参考设计，这些设计突破了当前可达到的功率密度水平的界限，并可以为未来如何实现更高水平提供指导。

车载充电器：设计挑战

OBC 在 EV 中的作用是将交流电网电力转换为直流电压，为牵引电池充电。不使用时，它会在车辆内四处运输，其尺寸和重量会对车辆行驶里程产生负面影响。OBC 设计人员面临六个关键且相互关联的挑战：

· 需要更高功率的课程

· 提高功率密度以减小 EV OBC 的尺寸和重量以扩大范围

· 最大限度地提高效率以实现更高的功率密度并缩短充电时间

· 双向运行以提供电网稳定性和备份

· 提高电池电压(从 400 V 到 800 V)以减少电流和电缆和连接器上的相关发热

· 平衡性能和成本

WBG 器件拓扑的演变

设计人员已经成功地利用 WBG 技术的卓越功能来应对这些挑战，但他们如何使用这些技术仍在不断发展。

更高功率的等级正在导致不断变化的拓扑结构和解决方案的实施方式。例如，设计人员越来越多地转向有源高效整流器和快速开关拓扑，以提高有源器件的功率密度并减少电感器和电容器等无源元件。此外，此处提供的宽电压也很重要，它可以覆盖不同的电池电压以及设计中的原生三相拓扑。

封装创新：顶部冷却

大功率表面贴装电子器件的热传导路径通常是从元件垂直向下朝向印刷电路板 (PCB)，印刷电路板 (PCB) 与冷板粘合——即所谓的“底部冷却”(BSC) ) — 但这会在热性能和 PCB 使用之间产生折衷。英飞凌开发了创新封装，允许分立半导体和功率 IC 进行顶部冷却 (TSC)，并在 OBC 设计中提供额外优势。

对于 BSC，通常将冷板连接到 PCB 的底部。这可以防止组件被放置在电路板的一侧，从而有效地将可达到的功率密度减半。半导体器件与 PCB 热粘合，这意味着它们在与电路板相同的温度下工作。由于 PCB 的最高工作温度 (Tg) 低于大多数功率器件的工作温度，因此无法充分发挥其优势。

借助 TSC，将冷板粘合到功率组件的顶部，从而允许将组件放置在 PCB 的两侧，并使 WBG 设备能够在其整个温度范围内运行。虽然绝缘金属基板 (IMS) 可以提高性能，但其中许多解决方案变成了多板组件，仅将 IMS 用于功率器件，将 FR4 用于驱动器和无源元件，显着增加了设计和制造的复杂性。

半导体结和冷板之间的热阻是决定导热能力的关键热设计参数。TSC 的热模拟表明它比 BSC 好 35%，并且提供比 IMS 背面冷却更好的热性能，但还节省了额外的成本。由于 TSC 允许将所有组件放置在单面、双面 PCB 上，因此可以将器件直接放置在其驱动器的对面，从而显着降低 PCB 寄生效应并提高系统性能，同时减少功率组件上的电应力量。

英飞凌的QDPAK 器件旨在利用 TSC 的优势，这些器件提供的多项特性使其适用于各种应用。它们还易于组装，标称尺寸为 20.96 × 15.00 毫米，整个系列的高度一致为 2.3 毫米。

QDPAK 器件可消耗高达 35 W 的大量功率(取决于热接口和整个冷却系统)，并具有多个专用于漏极和源极连接的引脚，使其成为大电流应用的理想选择。它们对称的平行引线布局还确保了机械稳定性和易于组装和测试，并且它们还具有用于控制效率的开尔文源引脚。

装配注意事项

发热 MOSFET 器件和散热器通常与其他薄型组件一起放置在 PCB 的顶部。相比之下，较高的设备通常放置在电路板的底部。英飞凌的HDSOP 器件设计为具有 2.3 毫米的统一高度，从而简化了冷板连接并消除了加工需求。这也允许使用优化的散热器，即使在同一设计中使用了不同的功率半导体技术。

可以通过多种方式将 MOSFET 封装热粘合到冷板上。尽管如此，最直接和最有效的方法是在 MOSFET 和它的散热器之间放置一个导热间隙填充物。这种方法还具有允许生产过程完全自动化的优点。虽然间隙填充物可以提供足够的电隔离，但为了额外的安全性，可以使用额外的隔离箔来提供进一步的电隔离，而不会显着降低热性能。

如何解决车载充电器功率密度演变

英飞凌与Silicon Austria Labs合作开发 7 kW 汽车 OBC 设计，以展示利用 SiC 和 TSC 封装创新的高功率密度。

这是一款单相、隔离、双向充电器，具有集成的低压 2.4kW、12V 输出。该参考设计的体积约为 3.2 kW/L(包括外壳和连接器)，使用英飞凌的 TSC 750-V SiC MOSFET实现了约 97% 的整体峰值效率，包括 PFC 和 C LLC转换器。

为了实现更高的功率密度等级，英飞凌与苏黎世联邦理工学院电力电子系统实验室合作，开发了基于GaN HEMT 技术的超高密度 OBC 设计。

通过将先进的控制和调制方案与这些设备在不同开关条件下的卓越性能相结合，最终充电器设计的无外壳功率密度为 17.8 × 400 × 140 mm 3，为 10 kW/L。

该可行性研究有效地表明，通过可实现正确的技术/封装/拓扑组合，可以进一步提高功率密度。当然，虽然有一些问题需要解决并在大规模生产中启用此类技术，但这是英飞凌研发部门与行业主要利益相关者共同关注的重点。我们都期待在未来几年看到 GaN 成功进入市场，这样的设计可以解决对更高功率密度的需求。

概括

减轻重量和体积将是未来支持电动汽车续航里程增加的关键挑战。小巧轻便的 OBC 将成为这一演变的一部分。

虽然功率密度为 10 kW/L 的实用 OBC 可能还无法实现，但英飞凌已经展示了如何将其创新的WBG 设备和封装技术相结合，以生产具有功率密度的原型参考设计。随着电动汽车向更高效率的快速发展，对 OBC 中更高功率密度的需求将比以前认为的进一步加速。