先進隔離式封裝在高功率電池充電設計發揮優勢
作者 : Littelfuse
在先進的隔離式封裝中使用主動式功率元件，可實現更高的功率密度並大幅減少電路設計中的熱管理工作，從而克服大功率充電的挑戰。
為了提高消費者對電動車(EV)的接受度，設計人員需要克服快速充電的挑戰，以最大限度減少車輛閒置時間，尤其是針對長途駕駛。設計人員為了實現快速充電，需要提高充電器的功率輸出、功率密度和效率。單個單元充電器設計範圍從7kW到30kW。將單個單元元件組合成模組化設計可提高功率輸出，並使充電器製造商實現更小尺寸、更高的靈活性和可擴展的目標。在先進的隔離式封裝中使用主動式功率元件，可實現更高的功率密度並大幅減少電路設計中的熱管理工作，從而克服大功率充電的挑戰。
電動車使用電量的增加，需要去管控電動車電池再充電造成的高負載，對於電力公司也成為一個挑戰。公用事業公司正在研究兩種車輛到電網(vehicle-to-grid)技術。第一項技術V1G被稱為智慧充電。在這項技術中，公用事業單位將透過控制電動車開始充電的時間和供應能量的大小來分配能量負載，以最大限度地減少需求峰值。
第二種技術V2G為雙向充電，可控制充電的時間和容量以及充電的方向。公用事業單位可以將充電電池中的電力輸送回電網後對另一輛車供電，以降低高峰用電需求。這種方法對於車隊來說具有成本效益，因為削峰(peak-shaving)用電被視為有價值的服務。例如，大多數校車只在白天行駛，因此可以在整個夜間進行充電和分享電力。更大型的車隊，例如美國有500,000輛校車在營運，因此可以作為高度分散的能源儲存形式進行控制。美國的暑假期間有100天的閒置時間，可用的電池容量能累積到GWh左右。
在為V2G技術做準備時，設計人員將需要開發雙向充電器，該充電器也可以為電網供電。與單向充電器相比，雙向設計更加複雜，需要更多的元件、額外的功耗管理工作和複雜的控制演算法。
處理更高功率需要高功率半導體的先進封裝
圖1展示一種雙向電源拓撲結構，該拓撲在8個半橋組中使用16個碳化矽(SiC)功率MOSFET。設計人員利用更多並聯的離散式功率FET來實現更高的功率，將使充放電系統的設計變得更加困難。離散式功率FET的封裝方式通常是採用D²PAK或TO-247封裝。當設計輸出功率水準超過30kW時，先進的封裝方式可提供所需元件以支援高輸出功率。圖2顯示封裝方式選項及其功率性能。每個封裝方式選項都會依據印刷電路板(PCB)佈局複雜性、組裝難度、輸出功率和散熱量來評定。表面黏著功率元件(SMPD)封裝為設計人員提供了功率性能、功耗以及易於佈局和組裝的最佳組合。
採用先進隔離封裝的表面黏著功率元件
圖1：具有多級功率轉換的雙向充電器電路。
圖2：封裝功率性能及封裝性能對比。
實現更高功率密度的SMPD封裝
設計人員可以使用SMPD來容納各種電壓等級和電路拓撲(包括半橋)的各種晶片技術。圖3顯示Littelfuse的SMPD的封裝示例。SMPD採用直接覆銅(DCB)基板，帶有銅導線架、封裝鋁線和半導體周圍的模塑化合物。DCB結構可提供高隔離強度，並允許在單個載體上採用具有高散熱性能的多個半導體排列。DCB中的裸露銅層可使連接到散熱器的表面積最大化。將銅導線架與封裝鋁線相結合，可以簡化焊接和組裝作業。
圖3：表面黏著功率元件(SMPD)封裝結構示例(來源：Littelfuse)。
本示例中的SMPD封裝設計具備多項優點：
- 已獲得UL認證，額定絕緣電壓最高達2500V
- 與其它半導體封裝方式(例如TO型元件)相較，熱阻更低。
- SMPD可提供比TO型封裝更高的載流能力。
- 半導體晶片和散熱器之間的低寄生耦合電容較低，降低了輻射EMI。
- 可最大限度地利用半導體性能，以及低雜散電感的封裝結構形成的低電壓過衝。
- 在實現客製化的拓撲結構方面有更大的靈活性，包括閘流體、功率二極體、MOSFET和IGBT。
- 由於具有背面隔離設計，所有功率半導體都可安裝在單個散熱器上。
圖4突顯了SMPD封裝如何將元件數量減少近一半，從而實現更高的功率、更大的功率密度和更小的組裝尺寸。本示例中的每個封裝都包含兩個功率MOSFET，作為SMPD封裝中可用的多種電路配置的一個示例。
圖4：採用SMPD封裝的雙向充電器，與使用離散式元件相比，元件數量減少一半。
以更小的封裝提供更高的功率
設計人員可以提高充電器的功率以增加功率密度。設計人員採用SMPD封裝，就能開發輸出高達50kW的單個功率單元，而不用採取並聯元件的方式。使用SMD封裝結構的功率元件可以用更少的元件來降低製造成本。
例如Littelfuse的表面黏著封裝設計，可以利用低熱阻封裝方式的技術，從而最大限度降低散熱器的尺寸和成本。由於它的寄生電容和雜散電感較低，這種封裝方式可以降低輻射和傳導EMI。設計人員可以使用更小的電感元件在高頻下工作，從而節省空間和成本。SMPD功率元件封裝可協助設計人員克服挑戰，不用大幅增加系統的尺寸和重量就能提高輸出功率。
本文作者：
Martin Schulz，Littelfuse應用工程全球負責人 Philippe Di Fulvio，Littelfuse電動車基礎設施業務發展經理
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