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英飛凌科技全球電動汽車充電應用經理Daniel Makus、英飛凌科技高壓功率轉換高級應用工程師Severin Kampl
汽車行業發展創新突飛猛進，從底盤到動力總成，從信息娛樂系統到聯網和自動化系統，汽車設計的方方面面都有著日新月異的進步。然而，為人詬病的電動汽車（EV）充電用時問題（特別是在旅途中充電）帶來的巨大不便，阻礙了電動汽車的推廣普及，因此，車載充電器（OBC）設計或許將成為備受關注的領域。
同應對大多數工程挑戰一樣，設計人員把目光投向先進技術，以期利用現代硅超結（SJ）技術以及諸如碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等寬禁帶（WBG）材料來提供解決方案。但半導體材料只是解決方案的一部分。任何車載充電器設計想要充分發揮其在功率密度和能效方面的潛力，都離不開高效散熱設計。
在本技術白皮書中，英飛凌審視了車載充電器設計人員面臨的挑戰，細致深入地考察了半導體封裝對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新方法，該方法可用于一系列高性能元器件，以供設計人員選用。
現代電動汽車車載充電器設計面臨的挑戰
車載充電器的作用是將來自電網的交流電轉換為直流電，以用于為動力電池充電。車載充電器僅在汽車停放并連接充電電纜時執行這項功能。汽車行駛時則只能一路載著這個重物，因此，必須最大限度地減小車載充電器的尺寸和重量，以減輕其對續航里程的影響，同時又能實現快速高效充電。另一個挑戰是車載充電器功率等級增長迅猛。幾年前，3.6 kW還是最先進的技術，而在不久的將來，功率將提高至三倍左右，也就是說，在占用相同空間的情況下，功率可達到11 kW。
車載充電器設計人員面臨著五大相互關聯的挑戰。其中，提高功率密度尤為重要，因為這意味著可縮小尺寸和降低重量，而這有助于延長電動汽車續航里程。提高能效不僅可以減少車載充電器內部的熱量積聚（這降低了散熱管理要求，因而可以減小車載充電器的尺寸并相應地提高功率密度），還能從電網供給更多電能為動力電池充電，從而縮短實際充電時間。
動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和向主驅電機輸送電能時電纜中傳輸的電流及相關I2R損耗。
圖1：OBC設計對電力電子設計人員提出了一系列挑戰
雙向運行要求對車載充電器設計人員提出了另一個挑戰。隨著電動汽車越來越普及，電網承受的壓力將大幅增加，特別是人們可能會在同一時段給汽車充電（譬如，每天通勤結束后在夜間充電）。電力供應商認識到，電動汽車中儲存的大量電能，既可以用于穩定交流電網，也可以在高峰時段為住宅供電，以降低用電峰值需求。此外，當交流電網發生故障（停電）時，電動汽車可以充當“家用電池”。然而，要做到這一點，車載充電器需要在接收電能之外，還能從動力電池饋出電能。
為了應對這些挑戰，拓撲和技術的選用都很重要，特別是對于開關元件。在大多數情況下，WBG解決方案將有助于提供所需要的性能優勢。
然而，雖然知道WBG技術的益處，設計人員還必須考慮，改善散熱性能對于實現這些重要目標有著至關重要的作用。
頂部散熱——概述和優點
汽車環境對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，電動汽車中的大多數電子系統都通過密封加以保護。這種情況不允許使用強制風冷式散熱，因此，散熱管理通常是將大功率元器件產生的熱量傳導至電動汽車內的冷卻液。
一般來說，大功率SMD元器件的導熱路徑是從功率器件向下傳導至PCB，PCB則鍵合在散熱板上。這種方式被稱為“底部散熱”（BSC）。在散熱任務艱巨的應用中，可以將功率器件貼裝在絕緣金屬基板（IMS）上，這樣做可以優化散熱性能，因為絕緣金屬基板的導熱性優于帶散熱通孔的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。
通過創新封裝，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。這項技術有許多優點，所有這些優點都能讓車載充電器設計和其他類似應用受益。
底部散熱通常將散熱板安裝到PCB/IMS底部進行散熱。這樣就有一個面不能放置元件，因而使功率密度降低一半。半導體器件與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低于許多現代功率器件的工作溫度，這限制了這些器件充分發揮其潛力。
圖2：TSC允許將元器件放置在電路板的兩個面，從而使功率密度翻番
通過將散熱板鍵合在功率元器件的頂部，這些問題迎刃而解，不僅兩面都可以放置元器件，而且WBG器件能夠在其整個工作溫度范圍內運行。
雖然IMS的散熱性能優于FR4，但它也加劇了復雜度。事實上，許多IMS解決方案都變成多板裝配，即，IMS僅用于功率器件，FR4則用于驅動器和無源器件。這令設計和制造變得極為復雜。然而，最近的一份拆解報告顯示，現實中的這種裝配使用了169個連接器——而等效的頂部散熱設計只需要41個。［］
圖3：簡潔的TSC裝配所需連接數量可減少最多76%
改為單板TSC設計可以少用128個連接器，這既節省了成本又降低了復雜度，而且在無形中化解了這些連接器造成的可靠性問題。還省下了IMS的成本，根據拆解報告的分析，裝配成本降低了三分之一。
散熱設計的關鍵參數是半導體結與散熱板之間的熱阻，因為這個參數定義了傳導熱量的能力。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的性能卻優于底部散熱IMS設計
FR4本身的散熱限制與此有關，這是一項安全要求。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體結溫。FR4的溫度限制意味著MOSFET的工作溫度亦受限于此，因而無法充分發揮其潛力。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行。
使用IMS時通常需要將驅動器和無源器件貼裝在單獨的FR4 PCB上，因此，柵極驅動器與MOSFET之間可能存在較大距離，這不可避免地加劇了寄生效應，從而導致振鈴。
圖5：采用頂部散熱的SMD功率器件可縮短柵極軌跡，減少寄生效應
TSC允許將所有元器件放置在同一個雙面PCB上，因此，可以將驅動器直接放置在相應的MOSFET的下方，從而顯著減少PCB引起的寄生效應。這將提升系統性能，產生更干凈的波形，從而降低功率元器件上的電氣應力。
裝配考慮事項
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單，其中一個很重要的原因是它僅使用一個電路板并且所需連接數量顯著減少。
直接將散熱片安裝到位于PCB頂部的發熱MOSFET封裝上進行散熱。薄型元件也放置在這一側，厚型元件則放置在下面。英飛凌在開發HDSOP系列時，已確保每個元件的標稱高度均為2.3 mm。這樣的統一高度大大簡化了散熱板，無需進行機械加工，即使在同一個設計中使用了不同的功率半導體技術，也可以使用更為優化的散熱片。
圖6：所有HDSOP器件均實現統一高度大大簡化了散熱片設計和裝配
有多種方法可將MOSFET封裝與散熱板鍵合到一起進行散熱。一般而言，最簡單的方法是在MOSFET與散熱片之間放置一個導熱填縫墊片。經優化的填縫料高度可以實現最佳散熱性能，但前提條件是填縫料填滿不留空隙。此外，液體填縫材料可用于全自動生產線。
圖7：填縫料是首選散熱鍵合方法，加裝絕緣片可滿足更高安全要求
盡管填縫料已能夠在MOSFET與導熱散熱片之間實現足夠的電隔離，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的電氣隔離水平，從而滿足更高安全要求。
英飛凌QDPAK——高級TSC解決方案
英飛凌QDPAK器件經專門設計，可以充分利用TSC的優勢，并提供多種特性以滿足不同應用的要求。這個系列的器件均為標稱尺寸20.96 mm x 15.00 mm、統一高度2.3 mm，以便輕松裝配。
QDPAK器件能夠實現高功率耗散，并且具備多個專門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。采用開爾文源極引腳來確保高度可控性和滿載效率，以支持高頻工作，實現功率密度目標。對稱平行引線布局確保了PCB的機械穩定性，同時也便于裝配和測試。
圖8：實現了頂部散熱（TSC）的QDPAK可為制造/裝配帶來許多益處
作為標準參數，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，適用于400 V以下電池電壓等級的大多數應用。對于更具挑戰性的應用，HV QDPAK（PG-HDSOP-22-3）采用I級塑封料，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
雖然在利用功率解決方案來不斷提高能效和功率密度這場較量中，寬禁帶（WBG）半導體材料占據了新聞頭條，但高效散熱管理在實現電氣性能以及降低尺寸、重量和成本方面起著重要作用。
創新封裝設計，如英飛凌的QDPAK，可以實現頂部散熱（TSC）。在這種設計中，熱量從封裝頂部經由導熱介質直接流向散熱板。這種方法有許多優點，包括散熱性能優于等效的IMS解決方案。更為簡潔的結構避免了多板裝配，減少了元器件數量和成本（尤其是連接器）。得益于此，性能顯著提高，裝配時間和成本也有所縮短和降低。通過充分利用電路板的兩個面，大幅提高了功率密度，同時也減少了系統中的寄生元素。
雖然頂部散熱（TSC）可能看起來很“新”，并且在許多方面確實很“新”，但這個解決方案真正的優點在于，它使用經反復檢驗的技術，如填縫料或結合導熱介質，打造出既簡練又極為可靠的解決方案。
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