【導讀】終zhong端duan用yong戶hu希xi望wang新xin的de電dian動dong汽qi車che設she計ji能neng夠gou最zui大da限xian度du地di減jian少shao車che輛liang的de空kong閑xian時shi間jian，尤you其qi是shi在zai長chang途tu駕jia駛shi中zhong。電dian動dong汽qi車che設she計ji人ren員yuan需xu要yao提ti高gao充chong電dian器qi的de功gong率lv輸shu出chu
、功率密度和效率，以實現終端用戶期望的快速充電。目前，單個單元充電器的設計範圍是從7千瓦到30千瓦。將單個單元元件組合到模塊化設計中可以增加功率輸出
，幫助充電器製造商實現占地麵積更小、靈ling活huo性xing更geng高gao和he可ke擴kuo展zhan性xing的de目mu標biao。對dui有you源yuan功gong率lv元yuan件jian使shi用yong先xian進jin的de隔ge離li封feng裝zhuang，可ke實shi現xian更geng高gao的de功gong率lv密mi度du並bing顯xian著zhu減jian少shao電dian路lu設she計ji中zhong的de熱re管guan理li工gong作zuo
，從cong而er解jie決jue大da功gong率lv充chong電dian的de挑tiao戰zhan。

摘要為了讓消費者更廣泛地接受電動汽車
，當今的設計人員必須解決快速充電的挑戰......

終zhong端duan用yong戶hu希xi望wang新xin的de電dian動dong汽qi車che設she計ji能neng夠gou最zui大da限xian度du地di減jian少shao車che輛liang的de空kong閑xian時shi間jian，尤you其qi是shi在zai長chang途tu駕jia駛shi中zhong。電dian動dong汽qi車che設she計ji人ren員yuan需xu要yao提ti高gao充chong電dian器qi的de功gong率lv輸shu出chu
、功率密度和效率，以實現終端用戶期望的快速充電。目前，單個單元充電器的設計範圍是從7千瓦到30千瓦。將單個單元元件組合到模塊化設計中可以增加功率輸出，幫助充電器製造商實現占地麵積更小
、靈ling活huo性xing更geng高gao和he可ke擴kuo展zhan性xing的de目mu標biao。對dui有you源yuan功gong率lv元yuan件jian使shi用yong先xian進jin的de隔ge離li封feng裝zhuang，可ke實shi現xian更geng高gao的de功gong率lv密mi度du並bing顯xian著zhu減jian少shao電dian路lu設she計ji中zhong的de熱re管guan理li工gong作zuo，從cong而er解jie決jue大da功gong率lv充chong電dian的de挑tiao戰zhan。

電(dian)力(li)公(gong)司(si)麵(mian)臨(lin)著(zhe)額(e)外(wai)的(de)管(guan)理(li)大(da)負(fu)載(zai)的(de)挑(tiao)戰(zhan)，這(zhe)些(xie)大(da)負(fu)載(zai)是(shi)由(you)增(zeng)加(jia)的(de)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)使(shi)用(yong)的(de)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)而(er)產(chan)生(sheng)的(de)。公(gong)用(yong)事(shi)業(ye)單(dan)位(wei)正(zheng)在(zai)研(yan)究(jiu)兩(liang)項(xiang)車(che)輛(liang)到(dao)電(dian)網(wang)的(de)技(ji)術(shu)：

• V1G – 在這項稱為智能充電的技術中，公用事業單位通過兩種方式單獨分配能量

，以將需求峰值降至最低
；即通過控製電動汽車開始充電的時間和供電的多少。

• V2G – 雙向充電控製充電時間
、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拉回電網，然後將其供應給另一輛車。

V2G方fang法fa對dui於yu車che隊dui來lai說shuo可ke能neng非fei常chang具ju有you成cheng本ben效xiao益yi，因yin為wei為wei調tiao峰feng做zuo出chu貢gong獻xian將jiang被bei認ren為wei是shi一yi項xiang有you價jia值zhi的de服fu務wu。例li如ru，大da多duo數shu校xiao車che隻zhi在zai白bai天tian運yun行xing
，整zheng晚wan都dou可ke以yi充chong電dian和he共gong享xiang電dian力li。一yi支zhi規gui模mo更geng大da的de車che隊dui
，比bi如ru美mei國guo運yun營ying的de50萬輛校車
，可以被控製成高度分散的能源儲存。在美國暑假的100天空閑時間裏
，可用電池容量可以增長到GWh的水平。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。還需要額外的努力來管理功耗和開發複雜的控製算法。

處理更高功率需要高功率半導體的先進封裝

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
，這會使電力電子係統的設計複雜化。分立功率FET封裝通常為D²PAK或TO-247封裝。當設計功率級別超過30 kW時，先進的隔離封裝提供了支持所需高輸出功率的元件。

圖1：具有多級功率轉換的雙向充電器電路

與分立封裝不同
，隔離封裝允許將多個封裝安裝到一個公共散熱器上。由於其外形小巧
，與12毫米或17毫(hao)米(mi)功(gong)率(lv)模(mo)塊(kuai)相(xiang)比(bi)，它(ta)們(men)通(tong)過(guo)最(zui)小(xiao)化(hua)子(zi)單(dan)元(yuan)的(de)總(zong)高(gao)度(du)，提(ti)供(gong)了(le)更(geng)緊(jin)湊(cou)的(de)設(she)計(ji)。此(ci)外(wai)，使(shi)用(yong)具(ju)有(you)高(gao)絕(jue)緣(yuan)強(qiang)度(du)的(de)頂(ding)部(bu)冷(leng)卻(que)側(ce)
，器(qi)件(jian)和(he)散(san)熱(re)器(qi)之(zhi)間(jian)不(bu)需(xu)要(yao)額(e)外(wai)的(de)隔(ge)離(li)箔(bo)，使(shi)組(zu)裝(zhuang)過(guo)程(cheng)更(geng)容(rong)易(yi)，成(cheng)本(ben)更(geng)低(di)。

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)布局的複雜性和組裝難度進行評級。表麵貼裝功率器件(SMPD)為設計人員提供了功率能力、功耗以及易於布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

電動汽車充電係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）的各種芯片技術。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，

• 半導體周圍的塑料模塑化合物。

DCB結構提供高隔離強度，從而實現了在單個載體上進行具有高散熱能力的多半導體排列。DCB裸露的銅層最大限度地增加了散熱器連接的可用表麵積。銅引線框架與鋁鍵合導線相結合

，簡化了焊接和組裝。

圖 3.  表麵貼裝功率器件 (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2500 V

• 與其它半導體封裝（例如 TO 型器件）相比，熱阻更低。

• SMPD 提供比 TO 型封裝更高的載流能力。

• 由於半導體芯片和散熱器之間的低寄生耦合電容，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。

• 在啟用定製拓撲方麵具有更大的靈活性，包括晶閘管

、功率二極管

、MOSFET 和 IGBT。

• 由於背麵隔離，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
、單個二極管或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、電流和技術中構建模塊，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25 mm
，寬度為23 mm，並且具有共同的占地麵積和安裝麵積。

19英寸機架，具有兩個高度單元(2HU)，長度為880 mm，用於電動汽車充電子單元，在行業中隨處可見。例如，當使用薄型SMPD封裝時，與采用19英寸2HU機架配置的E2和E3封裝相比，該設計節省了約13%的體積，從而為功率磁件和去耦合電容器等無源元件提供了更大的空間。

圖5所示。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平，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1700V及以上的封裝選項。

目標：更小的封裝和更高的功率

通過采用SMPD封裝
，設計人員可以提高電動汽車充電器的功率，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50 kW的單功率單元，而無需並聯元件。使用SMPD功率元件有助於通過使用更少的元件來降低製造成本。表麵貼裝封裝設計（如Littelfuse的設計），可以通過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。設計人員還可以通過在更高頻率下工作來使用更小的電感器，從而進一步節省空間和成本。

一句話：SMPD功率器件封裝使設計人員在不大幅增加係統尺寸和重量的情況下

，增加了輸出功率。

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