利用SMPD提高大功率EV電池充電力

作者 : Martin Schulz、Philippe Di Fulvio,Littelfuse

表面黏著功率元件(SMPD)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。

終端使用者希望新的電動車(EV)設計能夠最大限度地減少車輛的閒置時間,特別是在長途駕駛中。電動車設計人員需要提高充電器的功率輸出、功率密度和效率,以實現終端使用者期望的快速充電。目前,單個單元充電器的設計範圍是從7kW~30kW。將單個單元元件組合到模組化設計中,可以增加功率輸出,有助於充電器製造商實現尺寸更小、靈活性更高和可擴展性的目標。對主動功率元件使用先進的隔離封裝,可實現更高的功率密度並顯著減少電路設計中的熱管理工作,從而解決大功率充電的挑戰。

電力公司為了管理高負載而面臨額外挑戰,原因是電動車使用電池充電的負載增加。公用事業單位正在研究兩種車輛到電網的技術:

.V1G:在這項稱為智慧充電的技術中,公用事業單位透過兩種方式單獨分配能量,以將需求峰值降至最低;即利用控制電動車開始充電的時間和供電的多少。

.V2G:雙向充電控制充電時間、功率和方向。例如,為了減少峰值需求,該公用事業單位可以將充滿電的電池中的一些電力抽回電網,然後將其供應給另一輛車。

對於車隊來說,V2G可能非常具有成本效益,因為電力的尖峰調降被視為有價值的服務。例如,大多數校車只在白天運行,整晚都可以充電和共享電力。一支規模更大的車隊,比如美國營運的50萬輛校車,可以作為高度分散的儲能裝置進行控制。在美國暑假的100天閒置時間裡,可用電池容量可以增長到GWh的水準。為了適應V2G技術,現在的設計人員需要開發雙向充電器,這種充電器也可以為電網供電。

與簡單的單向充電器相比,雙向充電器的設計更加複雜,需要更多的元件。還需要額外的工作來管理功耗和開發複雜的控制演算法。

處理更高功率需要高功率半導體先進封裝

圖1顯示了一種雙向電源拓撲,該拓撲在8個半橋組中使用16個碳化矽(SiC)功率MOSFET。為了實現更高的功率,電子設計人員可以並聯使用更多的離散功率FET;然而,這會使電力電子系統的設計複雜化。離散功率FET封裝通常為D²PAK或TO-247封裝。當設計功率級別超過30kW時,先進的隔離封裝提供了所需的元件以支援高輸出功率。

 

圖1:具有多級功率轉換的雙向充電器電路。

 

與分離式封裝不同,單獨式的封裝允許將多個封裝安裝到同一個散熱器上。由於其外形小巧,與12mm或17mm功率模組相比,它們最大限度降低子單元的總高度,以提供更小型的設計。此外,使用具有高絕緣強度的頂部冷卻側,元件和散熱器之間不需要額外的隔離箔,使組裝過程更容易,成本更低。

圖2顯示了封裝選項及其功率處理能力。這些封裝選項根據輸出功率和散熱量,以及印刷電路板(PCB)佈局的複雜性和組裝難度進行評級。表面黏著功率元件(SMPD)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。

 

圖2:封裝功率能力與封裝性能的比較。

 

SMPD封裝可實現更高功率密度

EV充電系統設計人員可以使用SMPD來容納各種電壓等級和電路拓撲(包括半橋)的多種晶片技術。SMPD封裝的示例如圖3所示,SMPD封裝具有以下特點:

.具有銅引線框架的直接銅鍵合(DCB)基板

.鋁鍵合線

.半導體周圍的塑膠模塑化合物

DCB結構提供高隔離強度,從而使多半導體排列在單一載體上,具有高散熱能力。DCB裸露的銅層最大限度地增加了散熱器連接的可用表面積。銅引線框架與鋁鍵合導線相結合,簡化了焊接和組裝。

 

圖3:SMPD封裝的示例結構。

(來源:Littelfuse)

 

本示例中的SMPD封裝設計具有以下幾個優點:

.UL認證,額定絕緣電壓高達2,500V;

.與TO型元件等其他半導體封裝相比,熱阻更低;

.SMPD提供比TO型封裝更高的載流能力;

.由於半導體晶片和散熱器之間的寄生耦合電容較低,降低了輻射EMI;

.最大限度地利用半導體的能力,以及由於封裝的低雜散電感導致的低電壓過衝;

.在啟用自訂式拓撲方面具有更大的靈活性,包括晶閘管、功率二極體、MOSFET和IGBT;

.採用單獨的背板,所有功率半導體都可以安裝在單個散熱器上。

如圖4所示,SMPD封裝有兩個版本,即SMPD-X和SMPD-B。SMPD-X包含單個開關、單個二極體或Co-Pack,可以在一個封裝中滿足更高的功率需求。SMPD-B允許在各種電壓、電流和技術中建立模組,如各種拓撲中的MOSFET、IGBT和晶閘管。

 

圖4:SMPD-X和SMPD-B封裝比較。

 

兩個版本都具有相同的封裝尺寸,長度為25mm,寬度23mm,並且具有共同的尺寸和安裝面積。

19吋機架,具有兩個高度單元(2HU),長度為880mm,用於電動車充電子單元,在業界中隨處可見。例如,當使用薄型SMPD封裝時,與採用19吋2HU機架配置的E2和E3封裝相比,該設計節省了約13%的體積,從而提供了更大的空間以容納功率磁件和去耦合電容器等被動元件。

圖5所示。SMPD封裝將元件數量減少近50%。減少所需的元件數量可實現更高的功率密度和更高的功率,並減小總體組裝尺寸。圖5所示的每個封裝包含了兩個功率MOSFET,這是SMPD封裝的多個電路配置中的一個示例。

 

圖5:基於SMPD封裝的雙向充電器將元件數量減少了將近50%。

 

如果要求目標是更高的功率水準,SMPD還可用於IGBT和碳化矽MOSFET的單開關配置。一旦設計需要更高的電壓,就可以隨時選擇高達1,700V及以上的封裝選項。

目標:更小的封裝和更高的功率

透過採用SMPD封裝,設計人員可以提高電動車充電器的功率,從而提高功率密度和效率。SMPD使設計人員能夠開發輸出功率高達50kW的單功率單元,而無需並聯元件。SMPD功率元件協助設計人員使用更少的元件來降低製造成本,就像Littelfuse的表面黏著封裝設計,可以利用低熱阻封裝技術將散熱器尺寸和成本降至最低。使用這種封裝可以降低輻射和傳導EMI,並具有較低的寄生電容和雜散電感,設計人員還可以透過在更高頻率下工作來使用更小的電感器,進一步節省空間和成本。

最重要的一點在於,SMPD功率元件封裝可協助設計人員在不顯著增加系統尺寸和重量的條件下,克服增加輸出功率的挑戰。

 

 

 

 

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