器件封装是高效散热管理的关键
汽车行业发展创新突飞猛进,从底盘到动力总成,从信息娱乐系统到联网和自动化系统,汽车设计的方方面面都有着日新月异的进步。然而,为人诟病的电动汽车(EV)充电用时问题(特别是在旅途中充电)带来的巨大不便,阻碍了电动汽车的推广普及,因此,车载充电器(OBC)设计或许将成为备受关注的领域。
同应对大多数工程挑战一样,设计人员把目光投向先进技术,以期利用现代硅超结(SJ)技术以及诸如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等宽禁带(WBG)材料来提供解决方案。但半导体材料只是解决方案的一部分。任何车载充电器设计想要充分发挥其在功率密度和能效方面的潜力,都离不开高效散热设计。
在本技术白皮书中,英飞凌审视了车载充电器设计人员面临的挑战,细致深入地考察了半导体封装对于打造解决方案所起的作用。本文还探讨了一种顶部散热的创新方法,该方法可用于一系列高性能元器件,以供设计人员选用。
现代电动汽车车载充电器设计面临的挑战
车载充电器的作用是将来自电网的交流电转换为直流电,以用于为动力电池充电。车载充电器仅在汽车停放并连接充电电缆时执行这项功能。汽车行驶时则只能一路载着这个重物,因此,必须最大限度地减小车载充电器的尺寸和重量,以减轻其对续航里程的影响,同时又能实现快速高效充电。另一个挑战是车载充电器功率等级增长迅猛。几年前,3.6 kW还是最先进的技术,而在不久的将来,功率将提高至三倍左右,也就是说,在占用相同空间的情况下,功率可达到11 kW。
车载充电器设计人员面临着五大相互关联的挑战。其中,提高功率密度尤为重要,因为这意味着可缩小尺寸和降低重量,而这有助于延长电动汽车续航里程。提高能效不仅可以减少车载充电器内部的热量积聚(这降低了散热管理要求,因而可以减小车载充电器的尺寸并相应地提高功率密度),还能从电网供给更多电能为动力电池充电,从而缩短实际充电时间。
动力电池电压不断提高,典型电压已从400 V升至800 V,这主要是为了降低充电时和向主驱电机输送电能时电缆中传输的电流及相关I2R损耗。
图1:OBC设计对电力电子设计人员提出了一系列挑战
双向运行要求对车载充电器设计人员提出了另一个挑战。随着电动汽车越来越普及,电网承受的压力将大幅增加,特别是人们可能会在同一时段给汽车充电(譬如,每天通勤结束后在夜间充电)。电力供应商认识到,电动汽车中储存的大量电能,既可以用于稳定交流电网,也可以在高峰时段为住宅供电,以降低用电峰值需求。此外,当交流电网发生故障(停电)时,电动汽车可以充当“家用电池”。然而,要做到这一点,车载充电器需要在接收电能之外,还能从动力电池馈出电能。
为了应对这些挑战,拓扑和技术的选用都很重要,特别是对于开关元件。在大多数情况下,WBG解决方案将有助于提供所需要的性能优势。
然而,虽然知道WBG技术的益处,设计人员还必须考虑,改善散热性能对于实现这些重要目标有着至关重要的作用。
顶部散热——概述和优点
汽车环境对于电子组件存在很多危害因素,包括灰尘、污垢和液体,有鉴于此,电动汽车中的大多数电子系统都通过密封加以保护。这种情况不允许使用强制风冷式散热,因此,散热管理通常是将大功率元器件产生的热量传导至电动汽车内的冷却液。
一般来说,大功率SMD元器件的导热路径是从功率器件向下传导至PCB,PCB则键合在散热板上。这种方式被称为“底部散热”(BSC)。在散热任务艰巨的应用中,可以将功率器件贴装在绝缘金属基板(IMS)上,这样做可以优化散热性能,因为绝缘金属基板的导热性优于带散热通孔的FR4。然而,底部散热方法总是要在散热性能与电路板空间利用率之间谋求折衷。
通过创新封装,英飞凌研制出适用于功率分立器件和功率IC的顶部散热(TSC)技术。这项技术有许多优点,所有这些优点都能让车载充电器设计和其他类似应用受益。
底部散热通常将散热板安装到PCB/IMS底部进行散热。这样就有一个面不能放置元件,因而使功率密度降低一半。半导体器件与PCB键合在一起散热,意味着它们将在相同温度下工作。FR4的Tg低于许多现代功率器件的工作温度,这限制了这些器件充分发挥其潜力。
图2:TSC允许将元器件放置在电路板的两个面,从而使功率密度翻番
通过将散热板键合在功率元器件的顶部,这些问题迎刃而解,不仅两面都可以放置元器件,而且WBG器件能够在其整个工作温度范围内运行。
虽然IMS的散热性能优于FR4,但它也加剧了复杂度。事实上,许多IMS解决方案都变成多板装配,即,IMS仅用于功率器件,FR4则用于驱动器和无源器件。这令设计和制造变得极为复杂。然而,最近的一份拆解报告显示,现实中的这种装配使用了169个连接器——而等效的顶部散热设计只需要41个。[[1]]
图3:简洁的TSC装配所需连接数量可减少最多76%
改为单板TSC设计可以少用128个连接器,这既节省了成本又降低了复杂度,而且在无形中化解了这些连接器造成的可靠性问题。还省下了IMS的成本,根据拆解报告的分析,装配成本降低了三分之一。
散热设计的关键参数是半导体结与散热板之间的热阻,因为这个参数定义了传导热量的能力。散热仿真表明,在FR4上采用顶部散热的热阻,比在FR4上采用底部散热改善了35%,甚至比在IMS上采用底部散热也略有改善,而成本却大大降低。
图4:尽管成本更低,TSC的性能却优于底部散热IMS设计
FR4本身的散热限制与此有关,这是一项安全要求。在底部散热方案中,MOSFET键合在FR4上,这意味着FR4的温度非常接近于半导体结温。FR4的温度限制意味着MOSFET的工作温度亦受限于此,因而无法充分发挥其潜力。在顶部散热方案中,MOSFET与FR4并未键合在一起散热,因此MOSFET可以在更高温度下运行。
使用IMS时通常需要将驱动器和无源器件贴装在单独的FR4 PCB上,因此,栅极驱动器与MOSFET之间可能存在较大距离,这不可避免地加剧了寄生效应,从而导致振铃。
图5:采用顶部散热的SMD功率器件可缩短栅极轨迹,减少寄生效应
TSC允许将所有元器件放置在同一个双面PCB上,因此,可以将驱动器直接放置在相应的MOSFET的下方,从而显著减少PCB引起的寄生效应。这将提升系统性能,产生更干净的波形,从而降低功率元器件上的电气应力。
装配考虑事项
如前文所讨论的,典型的TSC装配通常比等效的底部散热方案更为简单,其中一个很重要的原因是它仅使用一个电路板并且所需连接数量显著减少。
直接将散热片安装到位于PCB顶部的发热MOSFET封装上进行散热。薄型元件也放置在这一侧,厚型元件则放置在下面。英飞凌在开发HDSOP系列时,已确保每个元件的标称高度均为2.3 mm。这样的统一高度大大简化了散热板,无需进行机械加工,即使在同一个设计中使用了不同的功率半导体技术,也可以使用更为优化的散热片。
图6:所有HDSOP器件均实现统一高度大大简化了散热片设计和装配
有多种方法可将MOSFET封装与散热板键合到一起进行散热。一般而言,最简单的方法是在MOSFET与散热片之间放置一个导热填缝垫片。经优化的填缝料高度可以实现最佳散热性能,但前提条件是填缝料填满不留空隙。此外,液体填缝材料可用于全自动生产线。
图7:填缝料是首选散热键合方法,加装绝缘片可满足更高安全要求
尽管填缝料已能够在MOSFET与导热散热片之间实现足够的电隔离,还可以在填缝料与散热片之间加装一片绝缘垫片,以便在不明显降低散热性能的情况下提供适当的电气隔离水平,从而满足更高安全要求。
英飞凌QDPAK——高级TSC解决方案
英飞凌QDPAK器件经专门设计,可以充分利用TSC的优势,并提供多种特性以满足不同应用的要求。这个系列的器件均为标称尺寸20.96 mm x 15.00 mm、统一高度2.3 mm,以便轻松装配。
QDPAK器件能够实现高功率耗散,并且具备多个专门用于漏极和源极连接的引脚,因此它们非常适于大电流工作。采用开尔文源极引脚来确保高度可控性和满载效率,以支持高频工作,实现功率密度目标。对称平行引线布局确保了PCB的机械稳定性,同时也便于装配和测试。
图8:实现了顶部散热(TSC)的QDPAK可为制造/装配带来许多益处
作为标准参数,QDPAK(PG-HDSOP-22-1)可在最高450 V工作电压下提供3.20 mm爬电距离,[2]适用于400 V以下电池电压等级的大多数应用。对于更具挑战性的应用,HV QDPAK(PG-HDSOP-22-3[3])采用I级塑封料,并在封装中留出凹槽,使爬电距离增至4.80 mm,可支持950 V工作电压。
总结
虽然在利用功率解决方案来不断提高能效和功率密度这场较量中,宽禁带(WBG)半导体材料占据了新闻头条,但高效散热管理在实现电气性能以及降低尺寸、重量和成本方面起着重要作用。
创新封装设计,如英飞凌的QDPAK,可以实现顶部散热(TSC)。在这种设计中,热量从封装顶部经由导热介质直接流向散热板。这种方法有许多优点,包括散热性能优于等效的IMS解决方案。更为简洁的结构避免了多板装配,减少了元器件数量和成本(尤其是连接器)。得益于此,性能显著提高,装配时间和成本也有所缩短和降低。通过充分利用电路板的两个面,大幅提高了功率密度,同时也减少了系统中的寄生元素。
虽然顶部散热(TSC)可能看起来很“新”,并且在许多方面确实很“新”,但这个解决方案真正的优点在于,它使用经反复检验的技术,如填缝料或结合导热介质,打造出既简练又极为可靠的解决方案。
欢迎浏览英飞凌QDPAK产品页面,进一步了解我们面向大功率应用的创新顶部散热SMD解决方案,以及这些解决方案搭配我们最新推出的高压CoolMOS™超结MOSFET和CoolSiC™技术所能带来的关键特性和益处。
[1] 基于A2Mac1 – 基准数据即服务(Benchmarking Data as a Service),反向工程研究报告https://portal.a2mac1.com/
[2] 根据DIN VDE 0100 / IEC 60664-1标准II类材料
[3] 关于前期样品供货情况,敬请垂询英飞凌销售人员
(本文作者:英飞凌科技全球电动汽车充电应用经理Daniel Makus、英飞凌科技高压功率转换高级应用工程师Severin Kampl)
关键词:
相关阅读
-
03-18
-
03-18
-
03-18
-
03-18
-
03-18
推荐阅读
-
【行业观察】综合家电集团高端化转型路径有哪些?
走向高端化,是企业自身发展到一定程度的需求,也是跳出行业恶性价格战内卷的有效路径。在中国家电市场上,受市场饱和、消费者需求提升等因更多
2022-03-15 15:20:47
-
云裳物联获丰光5000万元投资,雷鸟网络去年收入增
家电企业正加快拓展互联网增值业务。第一财经记者获悉,近日,与海尔关联的青岛云裳羽衣物联科技有限公司(下称云裳物联)与丰光投资签约,其更多
2022-03-15 15:19:40
-
TCL科技2021年净利100.6亿元,同比增长129.3%
TCL科技发布了2021年业绩快报。报告显示,期内,TCL2021年实现营收1635 28亿元,同比增长112 8%;实现归属于上市公司股东的净利润100 6亿元更多
2022-03-11 16:45:11
-
【资讯】美国监管机构发布自动驾驶新规
据路透社报道,美国监管机构本周四发布了最终规则,取消了自动驾驶汽车制造商需要为满足碰撞标准而为全自动驾驶汽车配备手动控制装置的要求更多
2022-03-11 16:41:57
-
中兴通讯2021年净利润68.1亿元,同比增长59.9%
3月8日,中兴通讯发布2021年度报告。报告显示,2021年,中兴通讯实现营业收入1145 2亿元,同比增长12 9%;归属于上市公司普通股股东的净利润更多
2022-03-09 15:46:59
-
多部门联合清理违规 整治向未成年人销售电子烟
近年来,禁止向未成年人销售电子烟已经成为社会的共识。近日,公安部、国家烟草专卖局、市场监管总局、教育部联合印发《清理整治向未成年人更多
2022-03-09 09:05:24
-
郭明錤:苹果今年不会发布搭载苹果芯片的两款设备
天风国际分析师郭明錤在社交媒体上预测,苹果今年不会发布搭载苹果芯片的iMacPro和Mac Pro,这两款设备要等到2023年。苹果今年会发布全新2更多
2022-03-08 11:16:11
-
为什么现在炒股票越来越难了?庄家都在做什么?
股价上涨总是好事,但是现在动不动就是几连板,涨得十分着急,然后就是大幅回撤,这对于长期价值投资理念的形成很不利,本栏认为应鼓励上涨更多
2022-03-02 08:58:05
时尚热图
热门标签
-
今日必看
-
精彩话题
-
资讯播报
- 器件封装是高效散热管理的关键
- 2021年国内汽车质量问题投诉销量比排行榜
- 恒驰5内饰首次曝光 采用三联屏设计
- 跨楼层停车场记忆泊车 小鹏P5最新OTA全量发布
- 零跑C01首搭CTC电池技术 结构件成本降低15%
- 零跑汽车赴港IPO,2021年总收益31亿、亏损28亿
- 迅雷发布年报:总营收2.396亿美元 同比增28.3%
- 特斯拉又涨了, Model Y上调15060元
- 李彦宏:激发自动驾驶领域创新能力
- 上线算法关闭键 何必遮遮掩掩?
- SpaceX星链在15国平均下载速度超100兆 最高逼近200兆
- 从尝鲜到常用,折叠屏时代真的来了吗?
- 劳斯莱斯闪灵最新谍照 有望明年上市/或共享宝马iX电驱动系统
- Stellantis在美召回数十万辆汽车
- 16.68-19.28万元 荣威全新SUV车型鲸正式开启预售
- 2022年宝马集团财报公布 推15款新能源车/华晨宝马财报并入集团
- 小鹏汽车将涨价 涨幅1-2万?官方回应:以官网或者APP端消息为准
- 最快最强的Vantage首发 3.5秒破百/限量333台
- 比亚迪驱逐舰05上市,售价11.98~15.58万元
- 中国电信:2022年资本开支930亿,聚焦产业数字化
- 浪潮信息发布首款元宇宙服务器MetaEngine
- 汽车总线工具链企业“同星智能”完成数千万元融资
- 广汽埃安混改新进展:完成员工股权激励,将启动A轮引战
- 中国电信:预计2022年底在用5G基站超99万站
- 9元时代来了!明起油价上涨,加满一箱油需多花30元左右
- 中国电信2021年净利润259.52亿元,同比增长24.4%
- 中国电信2021年净利259.48亿元 同比增长24.5%
- Genomatica与旭化成合作 加速车用可再生聚酰胺6,6商业化
- 中国移动虚拟化IP短信网关二期工程设备新建部分集采:总预算2287万元
- 上汽集团任命刘新宇担任名爵欧洲公司CEO
- 联通服务再升级:把营业厅开进客户心里
- 联通数科中标应急管理部网络系统建设项目,价值5188万元
- Solo获700万美元种子资金 打造首个自动货运的地面重型卡车平台
- 先进能源工业:2021营收14.56亿美元 产能紧缺限制电信和网络业务的销售额
- 刷脸秒过核查,消息地图式推送 浙江移动“智慧防疫线”助力精准防疫
- 详解阿里2022裁员:本地生活为重灾区,核心电商仍将扩充人手
- 如何实现(CAN/CAN FD/LIN/汽车以太网)总线仿真和分析?虹科CanEasy助您节省成本
- 展现央企担当!联通2021年扶贫、助残让利4.7亿元
- 中国电信启动“春晓行动” 五大举措释放数字消费新活力
- 卧底7-11亮马桥店卧底后发现:加盟店存食安问题
- 什么算不正当竞争?知产法院首次发布十大典型案例
- FCC撤销中信集团旗下两家公司在美提供电信服务的授权
- 赣锋锂业前两月净利大涨3倍,后续有望保持量价齐升
- 中国电信风冷型机房专用空调集采:总规模4709套
- 中国联通品牌大使 | 河南联通网优专家梁松柏,打造交通干线精品网络
- 连云港灌云移动党员志愿者上门安装“智能门磁”助力地区疫情防控
- 吉凯恩汽车将参与SCREAM项目 开发可回收稀土磁体循环供应链
- 市场动荡,特斯拉暂停发行超10亿美元汽车租赁债券
- 福特申请专利:配备多个加热器的加热方向盘
- 现代在印度尼西亚建厂 生产该国首款电动汽车
- 标普:俄乌冲突将使两年内全球汽车产量减少520万辆
- 耐世特推出48V iBSG eDrive 为传统内燃机车辆提供混合动力
- 连云港灌南移动助力疫情防控冲锋在前
- 森萨塔与NIRA Dynamics达成战略合作 开发轮胎胎面深度监测解决方案
- 冯思翰:疫情对大众在华生产影响不致命
- 大众将替换部分乌克兰线束?
- 宝马集团:并表华晨宝马将带来70-80亿欧元
- 丰田加州工厂获2,700万美元投资
- 在合肥,李斌与王传福会聊些什么?
- 福特申请新专利:配备远程停车辅助功能的车钥匙
- Stellantis与福特分别召回数十万辆汽车
- 电车灵魂五问
- 理想L9更多信息公布 除了大还有什么看点?
- 传图森未来出售中国业务
- 欧盟与英国对全球车企展开突击调查
- 日产宣布因零部件短缺暂停俄罗斯工厂生产
- 数字音频市场规模高达260亿 喜马拉雅连续亏损痼疾为何难改?
- 时尚商用皮卡金刚炮将于3月22日上市
- 谷歌宣布5月11日将举办线上开发者大会
- App用户协议不能成“坑人协议”
- 2022年2月TOP30轿车销量投诉量对应点评
- 2月SUV销量TOP10:Model Y夺冠,宋PLUS闯进前三
- 会员涨价流量下滑亏损持续 爱奇艺募资18亿加码“自制”可翻身?
- 2022年2月TOP30 SUV销量投诉量对应点评
- 智能终端“不安全”,信任危机何时消除?
- 1-2月规上工业增加值增7.5% 汽车带动社零总额增长
- 奥迪A6 e-tron路试谍照曝光 预计2023年发布
- 3月25日上市 东风日产启辰大V将推黑马版
- 2024年:3款乘用车/4款商用车 福特宣布电动车计划
- 大众汽车考虑在美国生产电动皮卡
- 消息称特斯拉上海工厂今起停工两天 官方回应:暂无可对外消息
- 2022德国红点奖揭晓 威马智能交互设计再登国际舞台
- 国汽智控:预计年底推出智能汽车基础脑iVBB2.5版本
- 博泰车联网获上海国盛资本3亿元战略投资
- 纯电动BMW i7细节图爆出 全新一代7系长这样
- 比亚迪纯电动车已全面搭载刀片电池,将推动磷酸铁锂电池产销量保持高增长
- 中国联通2021财报:联通云踏入新征程
- 韩国汽车行业对新总统政策表示担忧
- 中国电信高功率型阀控式密封铅酸蓄电池集采:总规模2058812300(2V.W)
- 俄乌局势升级,宝马集团下调汽车部门利润率预期
- i7领衔 BMW年内量产及试产纯电车型将达15款
- 大众汽车2021年销量下滑6.3%,销售收入大增12%
- 长安新能源注册“启源”商标,或为CD新品牌名称
- 联通采购50000套雁飞Cat.1烟感,预算800万元
- 全国增值电信业务经营许可企业达到12.18万家 环比增长1.4%
- 上海交大设计出无粘合剂夹层结构薄膜 可作为高容量阳极
- 特斯拉上海工厂停产两天
- 出口猛增“威慑”全球,新势力们远征海外的拦路虎又有哪些?
- 两轮变四轮,除了小牛还有爱玛
- 乌克兰线束厂关闭,欧洲今年或损失15%的汽车产量