現(xiàn)如今，全球移動出行領(lǐng)域正處于一個重大轉(zhuǎn)變之中，電動汽車(EV)銷量激增，各國政府和消費者也在努力低碳出行減輕氣候變化的影響，預(yù)計到2030年，電動汽車預(yù)計將占全球汽車銷量的至少三分之二。隨著汽車制造商努力降低電動汽車成本，高效和可持續(xù)的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)對于滿足日益增長的需求和電力要求至關(guān)重要。

為此，采用寬帶隙(WBG)半導(dǎo)體，如碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)，能夠?qū)崿F(xiàn)高效、強大且長期成本效益高的電源解決方案。此外，創(chuàng)新技術(shù)如頂部冷卻可以幫助設(shè)計師實現(xiàn)最佳熱性能并降低組裝成本。

電動汽車中的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，特別是車載充電器和DC-DC轉(zhuǎn)換器，對于管理車輛內(nèi)部的電力流動、優(yōu)化充電過程以及促進(jìn)各種電源的集成至關(guān)重要。這些電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)對電動汽車的整體性能、效率和用戶體驗至關(guān)重要。它們的正常運行對于最大化電動汽車的續(xù)航里程、可靠性和功能性至關(guān)重要，使其在向可持續(xù)交通過渡中不可或缺。

隨著功率水平的提高，雙向操作支持(V2X)以及800V電池系統(tǒng)的快速采用，OBC和DC-DC電源系統(tǒng)引入了新的復(fù)雜性水平，這種復(fù)雜性因更高的功率密度、效率和總體成本要求而加劇。

SiC和GaN半導(dǎo)體通過實現(xiàn)前所未有的效率和性能，同時與成本效益高的硅(Si)技術(shù)共存，徹底改變了汽車系統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換。基于SiC的設(shè)計在廣泛的溫度范圍內(nèi)提供高魯棒性和效率，與基于Si的設(shè)計相比，顯著降低了開關(guān)和傳導(dǎo)損耗，從而實現(xiàn)最佳性能和熱效率。另一方面，GaN在更高的開關(guān)頻率下提供無與倫比的效率和幾乎無損的開關(guān)，使設(shè)備更小、更緊湊。

雖然GaN和SiC各自都提供了許多好處，但當(dāng)它們一起使用時，它們的優(yōu)勢更加明顯。它們共同在汽車電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中提供了效率、緊湊性和經(jīng)濟性的引人注目的組合。設(shè)計師可以利用這種組合來實現(xiàn)最佳的功率密度和熱效率，同時啟用新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而提高車輛性能和續(xù)航里程。

越來越多的頂級制造商正在采用這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因為它們比前幾代產(chǎn)品更簡單。例如，在11 kW設(shè)計的PFC階段，與第一代拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中使用的18個晶體管(3x單相交錯)相比，第二代拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)僅使用8個晶體管(三相B6或VSC)。僅減少晶體管數(shù)量就使設(shè)計變得簡單得多。

新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還使用更少的柵極驅(qū)動器，并允許單個微控制器接管電源供應(yīng)兩個階段的控制回路，即PFC和HV-HV DC-DC。為了進(jìn)一步簡化設(shè)計，一些頂級制造商決定消除分立器件，并利用具有三到四個集成半橋的模塊。

盡管這種方法大大簡化了設(shè)計并降低了OBC的冷卻和開發(fā)成本，但它并沒有優(yōu)化功率密度和效率。這是由于需要巨大的努力來設(shè)計EMI濾波器和PFC扼流圈，因為它們需要在高于第一代拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計的電壓下進(jìn)行濾波和開關(guān)。當(dāng)然，在更高的電壓下，開關(guān)頻率不能非常高(例如，PFC 95.5%)。一些出版物已經(jīng)證明，在B6/B8拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中添加ZVS單元可以進(jìn)一步提高效率，并在更高的組件計數(shù)下實現(xiàn)更高的開關(guān)頻率。

此外，沒有900V-1000V鋁電容器可用于PFC轉(zhuǎn)換器的輸出。因此，設(shè)計師需要使用450V-500V鋁電容的串聯(lián)并聯(lián)排列來實現(xiàn)存儲能量所需的電容，當(dāng)B6拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)配置為與單相電網(wǎng)(例如B8)一起工作時，補償100Hz/120Hz紋波。

具有650V-750V晶體管的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步提高功率密度和效率，同時降低系統(tǒng)成本。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仍將與三相電網(wǎng)和800V電池架構(gòu)兼容。為此，如圖5所示，需要多級轉(zhuǎn)換器。

在圖5中，左側(cè)的兩個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是硬開關(guān)PFC，其中頂部圖像顯示了飛跨電容拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，底部圖像顯示了有源中性點鉗位拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。右側(cè)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是諧振HV-HV DC-DC轉(zhuǎn)換器，其中頂部圖像顯示了多級CLLC，底部圖像顯示了多級DAB。

隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，可持續(xù)設(shè)計對于減輕車輛對環(huán)境的影響至關(guān)重要。通過優(yōu)先考慮環(huán)保材料、節(jié)能動力系統(tǒng)和可回收組件，汽車解決方案可以有助于減少碳排放和保護(hù)自然資源。在電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，這將在優(yōu)化過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，不僅是為了材料選擇及其可回收性，而且是為了減少未來電源系統(tǒng)的重量和成本。

GaN的卓越開關(guān)能力和高頻操作使新型電力電子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)更高的效率和功率密度。GaN還通過減少外殼的數(shù)量以及電氣組件的尺寸和數(shù)量，包括大量的稀有材料，從而顯著提高了可持續(xù)性，從而減少了系統(tǒng)的總體重量。

隨著GaN功率晶體管制造中橫向結(jié)構(gòu)的引入，可以設(shè)計雙向開關(guān)(BDS)。這種BDS將具有雙向阻斷電壓能力，而不會使RDS(on)翻倍，從而實現(xiàn)可能帶來巨大功率密度、可靠性、成本和外部組件要求益處的顛覆性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖7(左)顯示了一個非常模塊化的方法，包括磁集成。與第一代方法類似，每個模塊為三相電網(wǎng)中的每個相供電，使650V設(shè)備成為可能。根據(jù)電池電壓，設(shè)計師可以選擇650V GaN或1200V SiC晶體管。

圖7(右)顯示了一個矩陣或循環(huán)轉(zhuǎn)換器——一個創(chuàng)新設(shè)計的潛在候選者。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以輕松地用兩個1200V分立器件在初級側(cè)背對背連接，并在次級側(cè)使用普通器件實現(xiàn)。這里的挑戰(zhàn)是選擇低電阻器件以獲得正確的總RDS(on)(雙向開關(guān)的RDS(on)是單個器件的兩倍)，根據(jù)適當(dāng)?shù)墓β实燃壓皖A(yù)期的功率耗散。

該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是完全諧振的，可以是LLC或DAB，開關(guān)頻率范圍將取決于輸出負(fù)載和輸入供電條件。由于這是一個真正的三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，考慮到可能發(fā)生的最大輸入電壓和電壓波動，真正的雙向GaN開關(guān)應(yīng)具有至少900V的最小擊穿電壓。Infineon正在積極設(shè)計汽車BDS GaN開關(guān)，以便頂級制造商為這些第三代拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的批量生產(chǎn)做好準(zhǔn)備。

除了使用寬帶隙技術(shù)提高效率外，設(shè)備封裝和冷卻也成為方程式的重要部分，并在實現(xiàn)更密集的OBC設(shè)計中發(fā)揮關(guān)鍵作用。雖然通孔設(shè)備(THD)封裝，如TO-247和TO220，在許多應(yīng)用中仍然廣泛使用，但它們具有高制造成本和手動插入PCB的缺點，然后焊接在板的底部。出于這些原因，THD越來越多地被表面貼裝設(shè)備(SMD)所取代，其放置可以自動化，從而提高吞吐量和更好的可靠性。

SMD封裝通過底部冷卻(BSC)或頂部冷卻(TSC)散熱。雖然BSC和TSC封裝都可以使用自動拾放機械組裝，但TSC提供了幾個優(yōu)勢，如D2PAK和DPAK，它們將熱量從芯片向下傳導(dǎo)到板載設(shè)備的底部。這種熱傳導(dǎo)方向是一個缺點，因為PCB不是為非常高的熱傳導(dǎo)優(yōu)化的，并為BSC設(shè)備創(chuàng)建了相當(dāng)大的熱屏障，需要額外的導(dǎo)熱通孔以允許多余的熱量安全地消散。

這種方法的一個負(fù)面后果是，它使PCB布線更具挑戰(zhàn)性，因為板上的大面積被分配給熱耗散元件。絕緣金屬基板(IMS)板可以改善BSC設(shè)備的熱性能，但這些板比傳統(tǒng)的FR4 PCB更昂貴。

采用TSC技術(shù)尤為顯著，并將塑造未來電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計。在TSC設(shè)備中，半導(dǎo)體芯片產(chǎn)生的熱量從封裝的頂部提取，該封裝有一個暴露的焊盤，上面附有一個冷板(散熱器)，如圖8所示。

這種方法將熱阻降低了高達(dá)35%，并將熱路徑與PCB上的電氣連接解耦。這很重要，因為它使PCB設(shè)計更簡單、更靈活，并帶來了更小的板面積、更高的功率密度和減少的電磁干擾(EMI)的額外好處。此外，提高的熱性能也消除了對板堆疊的需求。因此，而不是結(jié)合FR4和IMS板，這種設(shè)計使單個FR4足以滿足所有組件，并需要更少的連接器。

TSC的這些特性降低了整體物料清單，降低了整體系統(tǒng)成本。TSC還有助于優(yōu)化功率回路設(shè)計，以提高可靠性。這是可能的，因為驅(qū)動器可以非常靠近功率開關(guān)放置。驅(qū)動器開關(guān)的低雜散電感減少了回路寄生，導(dǎo)致柵極上的振鈴更少，性能更高，故障風(fēng)險更低。此外，封裝概念符合JEDEC標(biāo)準(zhǔn)，免版稅，這使得第二來源制造容易且對許多供應(yīng)商可用，而市場上其他概念是專有的，不容易復(fù)制。

圖9總結(jié)了TSC技術(shù)的關(guān)鍵好處。

Infineon已經(jīng)為其許多功率設(shè)備開發(fā)了具有TSC的雙重(DDPAK)和四重(QDPAK)SMD封裝，包括其CoolSiC G6肖特基二極管系列，新的750V和1200V SiC MOSFET系列與650V Si SJ CoolMOS配對，以及未來的基于GaN的CoolGaN產(chǎn)品。此外，低壓功率MOSFET已經(jīng)可以在TSC TOLT封裝中使用，這使得OBC和DC-DC轉(zhuǎn)換器的整個系統(tǒng)為TSC制造做好準(zhǔn)備。這些設(shè)備提供與THD設(shè)備相當(dāng)?shù)纳崮芰?，甚至更好的電氣性能?/p>

具有2.3mm的標(biāo)準(zhǔn)高度，QDPAK和DDPAK SMD TSC封裝，以及高壓和低壓兩種選擇，有助于設(shè)計完整的應(yīng)用，如OBC和DC-DC轉(zhuǎn)換器，使用具有相同高度的組件。這降低了與基于3D冷卻系統(tǒng)的現(xiàn)有解決方案相比的冷卻成本。

雖然SiC和GaN技術(shù)主導(dǎo)了實現(xiàn)電源解決方案更高效率和功率密度的戰(zhàn)斗，并且它們對于最小化能量損失、延長行駛范圍和實現(xiàn)電動汽車的更快充電至關(guān)重要，但有效的熱管理在實現(xiàn)電氣性能以及減少電源解決方案的尺寸、重量和成本方面也發(fā)揮著重要作用。

創(chuàng)新的封裝設(shè)計使頂部冷卻成為可能，從而實現(xiàn)了比基于IMS的解決方案更好的熱性能。其更簡單的結(jié)構(gòu)消除了多板組件，減少了組件數(shù)量和成本，特別是對于連接器。這顯著提高了性能并減少了組裝時間和費用。

還有更多需要探索的地方，有幾個想法在創(chuàng)新階段，可以為電源轉(zhuǎn)換設(shè)計師提供許多優(yōu)勢，以提高功率密度、可制造性、效率和系統(tǒng)成本。

使用電路板的雙面可以顯著提高功率密度，同時減少系統(tǒng)中的寄生元件。雖然頂部冷卻(TSC)技術(shù)可能看起來“新穎”，并且在很多方面確實如此，但這一解決方案的獨特賣點在于它采用了經(jīng)過驗證的技術(shù)，如有無熱界面材料的間隙填充物，以產(chǎn)生優(yōu)雅且最重要的是可靠的解決方案。