器件封装是高效散热管理的关键车讯
汽车行业发展创新突飞猛进，从底盘到动力总成，从信息娱乐系统到互联网和自动化系统，汽车设计各个方面都取得了日新月异的进步。但是，恶毒的电动汽车（EV）充电时的问题（特别是在旅途中充电）带来的巨大不便，妨碍了电动汽车的普及，因此车载充电器OBC）的设计可能会成为备受关注的领域。
为了应对众多项目的挑战，设计者将目光转向先进技术，期望利用现代硅超结（SJ）技术和碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等宽带隙（WBG）材料提供解决方案。但半导体材料只是解决方案的一部分。任何车载充电器的设计要充分发挥其在电力密度和能效方面的潜力，都离不开高效的散热设计。
本技术白皮书考察了英飞凌车载充电器的设计者所面临的课题，详细考察了半导体封装在解决方案构筑中发挥的作用。本文还探讨了一种可供设计人员选择的可用于一系列高性能部件的上部散热创新方法。
现代电动车车载充电器设计面临的课题
车载充电器的作用是将来自电网的交流电转换为直流电，用于动力电池的充电。车载充电器仅在汽车停车连接充电电缆时执行该功能。由于汽车行驶时只能装载该重物，因此需要最大限度地减小车载充电器的尺寸和重量，减轻对续航距离的影响，同时实现快速有效的充电。另一个挑战是车载充电器的电力水平会迅速上升。几年前，3.6kW是最先进的技术，但在不久的将来，电力将达到3倍左右。也就是说，如果占用相同的空间，则功率为11kW。
车载充电器的设计者面临着五个相关的挑战。其中，提高功率密度特别重要。这是因为这有助于延长电动汽车的续航距离，这意味着尺寸减小和重量降低。提高能效不仅可以减少车载充电器内部的热量积累，还可以从电网提供更多的电力给动力电池充电，缩短实际充电时间。
动力电池电压不断上升，典型电压从400V上升到800V。这主要是为了降低与充电时和向主驱动电机供电时流过电缆的电流相关的I2R损耗。
图1：OBC设计向电气电子设计者提出了一系列挑战
双向运行要求车载充电器的设计者提出了另一个挑战。随着电动汽车的普及，施加在电网上的压力大大增加，特别是人们可能在同一时间段给汽车充电（例如，在每天上下班结束后在夜间充电）电力供应商认识到，储存在电动汽车中的大量电力既可以用于稳定交流电网，也可以在峰值时向住宅供电，从而降低对功耗的峰值需求。另外，在交流电网发生故障（停电）的情况下，电动汽车可以作为“家用电池”发挥作用。但是，为此，车载充电器除了受电之外，还需要能够从动力电池供给电力。
为了应对这些课题，拓扑和技术的选择是重要的，特别是在开关元件中是重要的。在大多数情况下，WBG解决方案有助于提供所需的性能优势。
然而，尽管知道WBG技术的好处，设计者必须考虑到改善散热性能在实现这些重要目标方面起着至关重要的作用。
顶部散热-概述和优点
由于汽车环境对电子元器件存在灰尘、污垢、液体等诸多危害因素，电动汽车的许多电子系统受到密封的保护。在这种情况下，由于不允许强制空冷式的散热，所以散热管理通常将从大电力部件产生的热传递给电动汽车内的冷却液。
通常，高功率SMD部件的热传导路径从功率器件向下传导至PCB，PCB与散热板接合。这种方式被称为“底部散热”（BSC）在散热作业困难的应用程序中，可将电源设备安装在绝缘金属基板（IMS）上。这是因为绝缘金属基板的导热性优于带散热通路的FR4，可以优化散热性能。但是，底部的散热方法必须始终在散热性能和基板的空间利用率之间寻求折衷。
创新的封装开发了适用于功率分立器件和功率IC的顶热（TSC）技术。这项技术有很多优点，所有这些优点都将受益于车载充电器的设计和其他类似应用。
底部散热通常是将散热板安装在PCB/IMS底部进行散热。这样，就不能在一个面上放置元件，电力密度会降低一半。半导体器件和PCB结合散热意味着它们在相同的温度下工作。FR4的Tg低于许多现代功率器件的工作温度，限制了这些器件充分发挥其潜力。
图2：TSC通过将部件放置在电路板的两面，可以使电力密度倍增
通过将散热板接合在动力部件的上部，这些问题得到了解决，不仅可以在两面放置部件，而且WBG器件可以在其整个工作温度范围内工作。
IMS的散热性能优于FR4，但也增加了复杂性。事实上，许多IMS解决方案都是多板组件。也就是说，IMS仅用于动力设备，FR4用于驱动器和无源设备。这使设计和制造极为复杂。但最近的分解报告显示，现实中这种组装使用了169个连接器。等效的顶部散热设计只需要41个。[[1]]
图3：简单的TSC组装所需的连接数最多可减少76%
改为单板TSC设计可减少128个连接器，节约成本，降低复杂性，在无形中解决了这些连接器带来的可靠性问题。也节约了IMS的成本，根据分解报告的分析，组装成本下降了三分之一。
热设计的重要参数是半导体结和散热板之间的热阻。因为这个参数定义了传热的能力。根据散热模拟，FR4采用上部散热的热阻比FR4采用底部散热的情况改善了35%，比IMS采用底部散热的情况稍微改善了一点，但成本大幅降低。
图4：TSC的性能虽然成本低，但优于底部的散热IMS设计
FR4本身的散热限制与此相关，这是安全要求。在底部散热方案中，MOSFET耦合到FR4，这意味着FR4的温度非常接近半导体结温度。FR4的温度限制意味着MOSFET的工作温度也受此限制，无法充分发挥其潜力。在上部散热方式中，MOSFET和FR4结合而不散热，因此MOSFET能够在更高的温度下工作。
在使用IMS的情况下，通常需要将驱动器和无源设备安装在单独的FR4PCB上，因此栅极驱动器和MOSFET之间可能存在较大的距离，寄生效应增大，不可避免地发生振铃。
图5：采用上部散热的SMD功率器件可缩短栅极磁道，减少寄生效果
在TSC中，所有部件都可以放置在相同的双面PCB上，因此驱动器可以直接放置在相应的MOSFET下，从而显著降低了PCB的寄生效应。这将提高系统性能，产生更漂亮的波形，降低对动力部件的电应力。
组装注意事项
如前所述，一般的TSC组装通常比同等的底部散热方式简单。其重要原因之一是只使用了一块电路板，所需连接数量大幅减少。
散热片直接安装在PCB上部的发热MOSFET封装上散热。薄型零件也配置在这一侧，厚型零件配置在下面。英飞凌开发HDSOP系列时，确保各部件的标称高度为2.3mm。这种统一的高度大大简化了散热板，不需要进行机械加工，同样的设计使用不同的功率半导体技术，也可以使用更优化的散热片。
图6：所有HDSOP设备实现均匀高度，散热片设计和组装大大简化
将MOSFET封装和散热板接合散热的方法有几种。一般来说，最简单的方法是在MOSFET和散热片之间放置热传导焦化间隔。通过优化填缝材料的高度，可以实现最佳的散热性能。但是，前提条件是填缝材料没有间隙。此外，液体填料可在全自动生产线上使用。
图7、填缝材料是散热接合方法的优先，通过后附绝缘片能够满足更高的安全要求
虽然填缝材料能够在MOSFET和导热片之间实现充分的电气隔离，但在填缝材料和散热片之间安装绝缘隔板，在不显著降低散热性能的情况下提供适当的电气隔离水平，能够满足更高的安全要求。
英飞凌QDPAK——高级TSC解决方案
QDPAK装置是特别设计的，可以充分利用TSC的优点，并可以提供各种特性以满足不同应用的要求。本系列器件均标称尺寸20.96mmx15.00mm，统一高度2.3mm，可轻松组装。
QDPAK设备可实现高功率耗散，具有多个专门用于漏极和源极连接的引脚，适合大电流运行。使用开尔文源引脚确保高可控性和全负荷效率，支持高频工作，实现功率密度目标。对称平行引线布局既保证了PCB的机械稳定性，又便于组装和测试。
图8：实现了上部散热（TSC）的QDPAK为制造/组装带来很多优点
作为标准参数，QDPAK（PG-HSOP-22-1、可提供最高450V工作电压下3.20mm的沿面距离，[2]适用于400V以下电池电压电平的大多数应用。针对更具挑战性的应用，HVQDPAK（PG-HSOP-22-3[3]）采用I级塑料密封，封装留槽，沿面距离增加至4.80mm，可支持950V工作电压。
总结
在利用电力解决方案不断提高电力效率和电力密度的这一比较中，宽禁带（WBG）半导体材料占据了新闻头条，而高效的散热管理对实现电气性能、尺寸、重量和成本的降低起着重要的作用。
英飞凌的QDPAK等的革新的封装设计，能够实现上部散热（TSC）在该设计中，热从封装上部经由热传导介质直接流向散热板。该方法具有比同等IMS解决方案更好的散热性能的许多优点。更简单的结构避免了多板组件，从而减少了零件数量和成本（特别是连接器）这大大提高了性能，减少了装配时间和成本。通过活用电路板的2个方面，大幅度提高电力密度的同时，削减了系统中的寄生要素。
尽管上散热（TSC）可能看起来“新”，但在许多方面确实是“新”的，但该解决方案的真正优点是使用反复检查的技术，例如堵塞和热传导介质耦合，构建简洁可靠的解决方案。
英飞凌请参阅QDPAK产品页面。了解这些解决方案的关键特性和优点，包括针对大功率应用的创新的顶级散热SMD解决方案，以及结合最新的高压CoolMOS超结MOSFET和CoolSiC技术。
〔1〕A2Mac1–基于基准数据即服务（Benchmarking Data as a Service）的逆向工程研究报告书https：//portal.a2mac1.com/
[2]根据DIN VDE0100/IEC 60664-1标准II系材料
〔3〕关于前期样品交付情况，请咨询英飞凌销售者
（本文作者：英飞凌科技世界电动车充电应用经理Daniel Makus，英飞凌科技高压电力转换高级应用工程师Severin Kampl）