满足11kW及以上额定功率车载充电系统需求的绝佳解决方案

2024-03-28

电动汽车正在迅速成为最先进的汽车。由于锂离子电池容量增加、标称电池电压提高和宽带隙半导体,现代电动汽车一次充电可行驶400至600公里。

为了适应这种增加的电池容量的全部潜力,高速充电变得不可避免。对于客车中的交流充电,车载充电器(obc)是必需的。此前,车载充电系统最常见的额定功率在3.6千瓦至7.2千瓦之间。然而,随着电池容量的增加,额定功率为11千瓦和22千瓦的车载电池也将越来越受欢迎。

额定功率和产量的增加给以下方面带来了一些挑战现代OBC设计。例如,尽管OBCs的额定功率增加了,但由于电动汽车的空间有限,OBC的可用安装空间几乎保持不变。因此,与以前的OBC解决方案相比,额定功率为11千瓦或更高的OBC将需要更高的功率密度(W/l)。此外,随着OBC功率密度的增加,OBC中半导体的冷却也变得更加重要。这使得半导体与散热器之间的优化热连接至关重要。

现代OBCs需要解决的另一个挑战是快速和稳健的制造。为了满足日益增长的生产需求,OBCs需要设计为能够通过自动化实现生产。此外,为了降低系统级成本,还需要组件的垂直集成,例如以功率半导体模块的形式。简而言之,为了满足对配备11千瓦或更高充电功率的OBCs的电动汽车日益增长的需求,需要优化设计和制造工艺。

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图一。适用于OBCs的EasyPACK系列通过了AQG324认证。图片由提供者使用博多的电力系统

作为英飞凌科技公司制定的工业模块标准之一,EasyPACK模块用于以下应用电动汽车充电器、通用驱动器、太阳能逆变器、空调等等。如图1所示,具有AQG324认证的两种尺寸的EasyPACK模块为半导体实现紧凑型OBC解决方案提供了所需的最佳面积。

典型的OBC主要由功率因数校正(PFC)级以及DC/DC转换器的初级和次级组成。例如,使用EasyPACK 2B和EasyPACK1 B可以轻松实现22 kW OBC解决方案。EasyPACK 2B可以使用12个33 mOhm 1200V cool sic M1H MOSFET,从而实现PFC级和DC/ DC的初级侧,如图2(a)所示。此外,负温度系数(NTC)电阻可以集成到模块中,以监控其内部温度。在DC/DC转换器的次级侧,EasyPACK 1B可以容纳四个33 mOhm 1200V cool sic M1H MOSFET。然而,EasyPACK 1B公司提供了足够的面积来容纳高压至低压(HV/LV)DC/DC转换器的初级侧以及NTC,如图2(b)所示。使用易派2B和易派1B,散热器上22千瓦OBC的半导体开关所需的面积可以减少到43.4厘米。这种设计不仅实现了高功率密度,还减少了散热面积,提供了更大的设计灵活性。

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图二。OBC的常见拓扑结构包括PFC(a)DC/DC转换器的初级侧,(b)DC/DC转换器的次级侧,集成了高压/低压DC/DC转换器的初级侧。图片由提供博多的电力系统

EasyPACK模块中的半导体放置在直接键合铜(DBC)基板上。DBC的图层如图3所示。在顶部铜层上,半导体通过焊接和引线键合连接。顶层和底层之间的陶瓷材料(可以是铝2O3、AlN或Si3N4)将半导体的高电位与地面隔离。这消除了功率半导体额外隔离层的必要性,这是减少生产中的材料清单和加工步骤的额外杠杆。由于采用了陶瓷层,DBC基板的另一个好处是在其使用寿命期间具有稳定的隔离特性。

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图3。压配合接触区的横截面【2】。图片由提供博多的电力系统

EasyPACK模块与印刷电路板(PCB)的连接通过压配合引脚实现。压配合引脚有一个镀锌的压力区,可与FR4 PCBs形成冷焊接触。焊接零件的横截面如图4所示。这种互连提供了一致和连续的低接触电阻(低至0.05 mOhm【1】)。根据【2】,冷焊压配合触点的故障率非常低,比自动焊接触点的故障率低六分之一。

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图4。简易包装中DBC的层次。图片由提供博多的电力系统

与选择性焊接相比,压配合引脚的另一个好处是降低了生产复杂性。由于需要连接到散热器的无源组件和模块的高度,模块位于通孔组件的触针的相对侧。按压引脚时,必须选择性焊接PCB上放置电容、连接器和变压器等通孔元件触点的一侧。因此,使用压配合引脚将模块接触到PCB减少了处理时间和处理复杂性;从而降低生产成本。

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图5。EasyPACK的结构允许模块和散热器之间有一个较低的空腔。图片由提供博多的电力系统

EasyPACK的另一个特点是其非常好的热性能。EasyPACK模块直接拧在散热器上(见图5)。EasyPACK模块的这种结构允许它们以非常低的空腔固定到散热器上。DBC底侧和散热器之间的热界面材料(TIM)层的最终厚度小于100 μm .如此薄的TIM层足以填满空腔并确保热阻极低的半导体与散热器的连接。例如,EasyPACK中的80 mOhm 1200 V CoolSIC M1H可以实现高达30 W的功耗,而不会超过T最大vj.

此外,螺纹EasyPACK与压配合引脚相结合,消除了几乎所有与机械和组装工艺相关的公差,并降低了PCB上的机械应力。

对车载充电器的需求日益增长

对具有更高额定功率(如11千瓦和22千瓦)的obc的需求不断增长,这需要更高的垂直集成度和更容易的制造能力来提高生产率并实现更好的规模经济。使用EasyPACK等集成电源模块可以轻松满足这些要求。例如,在DC/DC的PFC级和初级侧使用单个EasyPACK 2B,在DC/DC的次级侧使用单个EasyPACK 1B,可以将功率半导体集中在43.4 cm区域内的800 V 22 kW OBC中。通过集成H桥作为高压/低压DC/DC转换器的初级侧,EasyPACK 1B在DC/DC次级的应用可以进一步扩展,从而将组合系统的功率密度提高到更高水平。

高功率密度、集成隔离、快速稳定的制造能力以及压配合引脚带来的较低装配率,使现有的EasyPACK模块系列通过了AQG324认证,是满足11 kW及以上额定功率车载充电系统需求的绝佳解决方案。

Infineon Technologies — Koray Yilmaz 、 Christoph Schäfer

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