【導讀】汽(qi)車(che)行(xing)業(ye)發(fa)展(zhan)創(chuang)新(xin)突(tu)飛(fei)猛(meng)進(jin)，從(cong)底(di)盤(pan)到(dao)動(dong)力(li)總(zong)成(cheng)
，從(cong)信(xin)息(xi)娛(yu)樂(le)係(xi)統(tong)到(dao)聯(lian)網(wang)和(he)自(zi)動(dong)化(hua)係(xi)統(tong)
，汽(qi)車(che)設(she)計(ji)的(de)方(fang)方(fang)麵(mian)麵(mian)都(dou)有(you)著(zhe)日(ri)新(xin)月(yue)異(yi)的(de)進(jin)步(bu)。然(ran)而(er)，為(wei)人(ren)詬(gou)病(bing)的(de)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)（EV）充電用時問題（特別是在旅途中充電）帶來的巨大不便，阻礙了電動汽車的推廣普及，因此
，車載充電器（OBC）設計或許將成為備受關注的領域。

同應對大多數工程挑戰一樣，設計人員把目光投向先進技術，以期利用現代矽超結（SJ）技術以及諸如碳化矽（SiC）和氮化镓（GaN）等寬禁帶（WBG）材(cai)料(liao)來(lai)提(ti)供(gong)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。但(dan)半(ban)導(dao)體(ti)材(cai)料(liao)隻(zhi)是(shi)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)的(de)一(yi)部(bu)分(fen)。任(ren)何(he)車(che)載(zai)充(chong)電(dian)器(qi)設(she)計(ji)想(xiang)要(yao)充(chong)分(fen)發(fa)揮(hui)其(qi)在(zai)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)和(he)能(neng)效(xiao)方(fang)麵(mian)的(de)潛(qian)力(li)，都(dou)離(li)不(bu)開(kai)高(gao)效(xiao)散(san)熱(re)設(she)計(ji)。

zaibenjishubaipishuzhong，yingfeilingshenshilechezaichongdianqishejirenyuanmianlindetiaozhan，xizhishenrudikaochalebandaotifengzhuangduiyudazaojiejuefangansuoqidezuoyong。benwenhaitantaoleyizhongdingbusanredechuangxinfangfa，gaifangfakeyongyuyixiliegaoxingnengyuanqijian
，yigongshejirenyuanxuanyong。

現代電動汽車車載充電器設計麵臨的挑戰

chezaichongdianqidezuoyongshijianglaizidianwangdejiaoliudianzhuanhuanweizhiliudian，yiyongyuweidonglidianchichongdian。chezaichongdianqijinzaiqichetingfangbinglianjiechongdiandianlanshizhixingzhexianggongneng。qichexingshishizezhinengyiluzaizhezhegezhongwu
，yinci，bixuzuidaxiandudijianxiaochezaichongdianqidechicunhezhongliang，yijianqingqiduixuhanglichengdeyingxiang
，tongshiyounengshixiankuaisugaoxiaochongdian。lingyigetiaozhanshichezaichongdianqigonglvdengjizengchangxunmeng。jinianqian，3.6 kW還是最先進的技術
，而在不久的將來，功率將提高至三倍左右
，也就是說
，在占用相同空間的情況下，功率可達到11 kW。

車che載zai充chong電dian器qi設she計ji人ren員yuan麵mian臨lin著zhe五wu大da相xiang互hu關guan聯lian的de挑tiao戰zhan。其qi中zhong，提ti高gao功gong率lv密mi度du尤you為wei重zhong要yao
，因yin為wei這zhe意yi味wei著zhe可ke縮suo小xiao尺chi寸cun和he降jiang低di重zhong量liang，而er這zhe有you助zhu於yu延yan長chang電dian動dong汽qi車che續xu航hang裏li程cheng。提ti高gao能neng效xiao不bu僅jin可ke以yi減jian少shao車che載zai充chong電dian器qi內nei部bu的de熱re量liang積ji聚ju（這降低了散熱管理要求，因而可以減小車載充電器的尺寸並相應地提高功率密度）
，還能從電網供給更多電能為動力電池充電，從而縮短實際充電時間。

動力電池電壓不斷提高，典型電壓已從400 V升至800 V，這主要是為了降低充電時和向主驅電機輸送電能時電纜中傳輸的電流及相關I2R損耗。

OBC設計對電力電子設計人員提出了一係列挑戰

雙shuang向xiang運yun行xing要yao求qiu對dui車che載zai充chong電dian器qi設she計ji人ren員yuan提ti出chu了le另ling一yi個ge挑tiao戰zhan。隨sui著zhe電dian動dong汽qi車che越yue來lai越yue普pu及ji
，電dian網wang承cheng受shou的de壓ya力li將jiang大da幅fu增zeng加jia
，特te別bie是shi人ren們men可ke能neng會hui在zai同tong一yi時shi段duan給gei汽qi車che充chong電dian（譬如，每天通勤結束後在夜間充電）。電dian力li供gong應ying商shang認ren識shi到dao
，電dian動dong汽qi車che中zhong儲chu存cun的de大da量liang電dian能neng，既ji可ke以yi用yong於yu穩wen定ding交jiao流liu電dian網wang
，也ye可ke以yi在zai高gao峰feng時shi段duan為wei住zhu宅zhai供gong電dian，以yi降jiang低di用yong電dian峰feng值zhi需xu求qiu。此ci外wai
，當dang交jiao流liu電dian網wang發fa生sheng故gu障zhang（停電）時
，電動汽車可以充當“家用電池”。然而

，要做到這一點
，車載充電器需要在接收電能之外，還能從動力電池饋出電能。

為了應對這些挑戰，拓撲和技術的選用都很重要，特別是對於開關元件。在大多數情況下，WBG解決方案將有助於提供所需要的性能優勢。

然而，雖然知道WBG技術的益處，設計人員還必須考慮，改善散熱性能對於實現這些重要目標有著至關重要的作用。

頂部散熱——概述和優點

汽車環境對於電子組件存在很多危害因素，包括灰塵、wugouheyeti
，youjianyuci
，diandongqichezhongdedaduoshudianzixitongdoutongguomifengjiayibaohu。zhezhongqingkuangbuyunxushiyongqiangzhifenglengshisanre，yinci，sanreguanlitongchangshijiangdagonglvyuanqijianchanshengdereliangchuandaozhidiandongqicheneidelengqueye。

一般來說，大功率SMD元器件的導熱路徑是從功率器件向下傳導至PCB，PCB則鍵合在散熱板上。這種方式被稱為“底部散熱”（BSC）。在散熱任務艱巨的應用中，可以將功率器件貼裝在絕緣金屬基板（IMS）上，這樣做可以優化散熱性能，因為絕緣金屬基板的導熱性優於帶散熱通孔的FR4。然而
，底部散熱方法總是要在散熱性能與電路板空間利用率之間謀求折衷。

通過創新封裝，英飛淩研製出適用於功率分立器件和功率IC的頂部散熱（TSC）技術。這項技術有許多優點，所有這些優點都能讓車載充電器設計和其他類似應用受益。

底部散熱通常將散熱板安裝到PCB/IMS底部進行散熱。這樣就有一個麵不能放置元件，因而使功率密度降低一半。半導體器件與PCB鍵合在一起散熱
，意味著它們將在相同溫度下工作。FR4的Tg低於許多現代功率器件的工作溫度，這限製了這些器件充分發揮其潛力。

TSC允許將元器件放置在電路板的兩個麵，從而使功率密度翻番 

通過將散熱板鍵合在功率元器件的頂部，這些問題迎刃而解，不僅兩麵都可以放置元器件
，而且WBG器件能夠在其整個工作溫度範圍內運行。

雖然IMS的散熱性能優於FR4
，但它也加劇了複雜度。事實上，許多IMS解決方案都變成多板裝配，即

，IMS僅用於功率器件，FR4則用於驅動器和無源器件。這令設計和製造變得極為複雜。然而
，最近的一份拆解報告顯示
，現實中的這種裝配使用了169個連接器——而等效的頂部散熱設計隻需要41個。①

簡潔的TSC裝配所需連接數量可減少最多76%

改為單板TSC設計可以少用128個連接器，這既節省了成本又降低了複雜度
，而且在無形中化解了這些連接器造成的可靠性問題。還省下了IMS的成本
，根據拆解報告的分析
，裝配成本降低了三分之一。

散熱設計的關鍵參數是半導體結與散熱板之間的熱阻
，因為這個參數定義了傳導熱量的能力。散熱仿真表明
，在FR4上采用頂部散熱的熱阻
，比在FR4上采用底部散熱改善了35%，甚至比在IMS上采用底部散熱也略有改善，而成本卻大大降低。

盡管成本更低，TSC的性能卻優於底部散熱IMS設計

FR4本身的散熱限製與此有關
，這是一項安全要求。在底部散熱方案中，MOSFET鍵合在FR4上，這意味著FR4的溫度非常接近於半導體結溫。FR4的溫度限製意味著MOSFET的工作溫度亦受限於此，因而無法充分發揮其潛力。在頂部散熱方案中，MOSFET與FR4並未鍵合在一起散熱，因此MOSFET可以在更高溫度下運行。

使用IMS時通常需要將驅動器和無源器件貼裝在單獨的FR4 PCB上
，因此，柵極驅動器與MOSFET之間可能存在較大距離
，這不可避免地加劇了寄生效應，從而導致振鈴。

采用頂部散熱的SMD功率器件
，可縮短柵極軌跡減少寄生效應

TSC允許將所有元器件放置在同一個雙麵PCB上，因此，可以將驅動器直接放置在相應的MOSFET的下方
，從而顯著減少PCB引起的寄生效應。這將提升係統性能

，產生更幹淨的波形，從而降低功率元器件上的電氣應力。

裝配考慮事項

如前文所討論的，典型的TSC裝配通常比等效的底部散熱方案更為簡單，其中一個很重要的原因是它僅使用一個電路板並且所需連接數量顯著減少。

直接將散熱片安裝到位於PCB頂部的發熱MOSFET封裝上進行散熱。薄型元件也放置在這一側，厚型元件則放置在下麵。英飛淩在開發HDSOP係列時，已確保每個元件的標稱高度均為2.3 mm。這(zhe)樣(yang)的(de)統(tong)一(yi)高(gao)度(du)大(da)大(da)簡(jian)化(hua)了(le)散(san)熱(re)板(ban)，無(wu)需(xu)進(jin)行(xing)機(ji)械(xie)加(jia)工(gong)，即(ji)使(shi)在(zai)同(tong)一(yi)個(ge)設(she)計(ji)中(zhong)使(shi)用(yong)了(le)不(bu)同(tong)的(de)功(gong)率(lv)半(ban)導(dao)體(ti)技(ji)術(shu)，也(ye)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)更(geng)為(wei)優(you)化(hua)的(de)散(san)熱(re)片(pian)。

所有HDSOP器件均實現統一高度，大大簡化了散熱片設計和裝配

有多種方法可將MOSFET封裝與散熱板鍵合到一起進行散熱。一般而言
，最簡單的方法是在MOSFET與(yu)散(san)熱(re)片(pian)之(zhi)間(jian)放(fang)置(zhi)一(yi)個(ge)導(dao)熱(re)填(tian)縫(feng)墊(dian)片(pian)。經(jing)優(you)化(hua)的(de)填(tian)縫(feng)料(liao)高(gao)度(du)可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)最(zui)佳(jia)散(san)熱(re)性(xing)能(neng)，但(dan)前(qian)提(ti)條(tiao)件(jian)是(shi)填(tian)縫(feng)料(liao)填(tian)滿(man)不(bu)留(liu)空(kong)隙(xi)。此(ci)外(wai)，液(ye)體(ti)填(tian)縫(feng)材(cai)料(liao)可(ke)用(yong)於(yu)全(quan)自(zi)動(dong)生(sheng)產(chan)線(xian)。

填縫料是首選散熱鍵合方法
，加裝絕緣片可滿足更高安全要求

盡管填縫料已能夠在MOSFETyudaoresanrepianzhijianshixianzugoudediangeli，haikeyizaitianfengliaoyusanrepianzhijianjiazhuangyipianjueyuandianpian，yibianzaibumingxianjiangdisanrexingnengdeqingkuangxiatigongshidangdedianqigelishuiping，congermanzugenggaoanquanyaoqiu。

英飛淩QDPAK——高級TSC解決方案

英飛淩QDPAK器件經專門設計
，可以充分利用TSC的優勢
，並提供多種特性以滿足不同應用的要求。這個係列的器件均為標稱尺寸20.96 mm x 15.00 mm、統一高度2.3 mm

，以便輕鬆裝配。

QDPAK器qi件jian能neng夠gou實shi現xian高gao功gong率lv耗hao散san，並bing且qie具ju備bei多duo個ge專zhuan門men用yong於yu漏lou極ji和he源yuan極ji連lian接jie的de引yin腳jiao，因yin此ci它ta們men非fei常chang適shi於yu大da電dian流liu工gong作zuo。采cai用yong開kai爾er文wen源yuan極ji引yin腳jiao來lai確que保bao高gao度du可ke控kong性xing和he滿man載zai效xiao率lv
，以yi支zhi持chi高gao頻pin工gong作zuo
，實shi現xian功gong率lv密mi度du目mu標biao。對dui稱cheng平ping行xing引yin線xian布bu局ju確que保bao了lePCB的機械穩定性，同時也便於裝配和測試。

實現了頂部散熱（TSC）的QDPAK

，可為製造/裝配帶來許多益處

作為標準參數
，QDPAK（PG-HDSOP-22-1）可在最高450 V工作電壓下提供3.20 mm爬電距離②，適用於400 V以下電池電壓等級的大多數應用。對於更具挑戰性的應用
，HV QDPAK（PG-HDSOP-22-3③）采用I級塑封料，並在封裝中留出凹槽，使爬電距離增至4.80 mm，可支持950 V工作電壓。

總結

雖然在利用功率解決方案來不斷提高能效和功率密度這場較量中，寬禁帶（WBG）半導體材料占據了新聞頭條
，但高效散熱管理在實現電氣性能以及降低尺寸、重量和成本方麵起著重要作用。

創新封裝設計，如英飛淩的QDPAK，可以實現頂部散熱（TSC）。在這種設計中，熱量從封裝頂部經由導熱介質直接流向散熱板。這種方法有許多優點，包括散熱性能優於等效的IMS解決方案。更為簡潔的結構避免了多板裝配，減少了元器件數量和成本（尤其是連接器）。得(de)益(yi)於(yu)此(ci)

，性(xing)能(neng)顯(xian)著(zhu)提(ti)高(gao)
，裝(zhuang)配(pei)時(shi)間(jian)和(he)成(cheng)本(ben)也(ye)有(you)所(suo)縮(suo)短(duan)和(he)降(jiang)低(di)。通(tong)過(guo)充(chong)分(fen)利(li)用(yong)電(dian)路(lu)板(ban)的(de)兩(liang)個(ge)麵(mian)

，大(da)幅(fu)提(ti)高(gao)了(le)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)，同(tong)時(shi)也(ye)減(jian)少(shao)了(le)係(xi)統(tong)中(zhong)的(de)寄(ji)生(sheng)元(yuan)素(su)。

雖然頂部散熱（TSC）可能看起來很“新”
，並且在許多方麵確實很“新”，但這個解決方案真正的優點在於，它使用經反複檢驗的技術
，如填縫料或結合導熱介質
，打造出既簡練又極為可靠的解決方案。

歡迎瀏覽英飛淩QDPAK產品頁麵，進一步了解我們麵向大功率應用的創新頂部散熱SMD解決方案，以及這些解決方案搭配我們最新推出的高壓CoolMOS™超結MOSFET和CoolSiC™技術所能帶來的關鍵特性和益處。

①基於A2Mac1 – 基準數據即服務（Benchmarking Data as a Service）
，反向工程研究報告https://portal.a2mac1.com/

②根據DIN VDE 0100 / IEC 60664-1標準II類材料

③關於前期樣品供貨情況，敬請垂詢英飛淩銷售人員

來源：英飛淩
，

作者：Daniel Makus 英飛淩科技全球電動汽車充電應用經理，Severin Kampl 英飛淩科技高壓功率轉換高級應用工程師

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