器件封裝是高效散熱管理的關鍵

汽車行業發展創新突飛猛進，從底盤到動力總成，從信息娛樂系統到聯網和自動化系統，汽車設計的方方面面都有著日新月異的進步。然而，為人詬病的電動汽車（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）和氮化鎵（GaN）等寬禁帶（WBG）材料來提供解決方案。但半導體材料只是解決方案的一部分。任何車載充電器設計想要充分發揮其在功率密度和能效方面的潛力，都離不開高效散熱設計。
在本技術白皮書中，英飛凌審視了車載充電器設計人員面臨的挑戰，細緻深入地考察了半導體封裝對於打造解決方案所起的作用。本文還探討了一種頂部散熱的創新方法，該方法可用於一系列高性能元器件，以供設計人員選用。

現代電動汽車車載充電器設計面臨的挑戰

車載充電器的作用是將來自電網的交流電轉換為直流電，以用於為動力電池充電。車載充電器僅在汽車停放並連接充電電纜時執行這項功能。汽車行駛時則只能一路載著這個重物，因此，必須最大限度地減小車載充電器的尺寸和重量，以減輕其對續航里程的影響，同時又能實現快速高效充電。另一個挑戰是車載充電器功率等級增長迅猛。幾年前，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。

車載充電器設計人員面臨著五大相互關聯的挑戰。其中，提高功率密度尤為重要，因為這意味著可縮小尺寸和降低重量，而這有助於延長電動汽車續航里程。提高能效不僅可以減少車載充電器內部的熱量積聚（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系列挑戰

雙向運行要求對車載充電器設計人員提出了另一個挑戰。隨著電動汽車越來越普及，電網承受的壓力將大幅增加，特別是人們可能會在同一時段給汽車充電（譬如，每天通勤結束後在夜間充電）。電力供應商認識到，電動汽車中儲存的大量電能，既可以用於穩定交流電網，也可以在高峰時段為住宅供電，以降低用電峰值需求。此外，當交流電網發生故障（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、污垢和液體，有鑒於此，電動汽車中的大多數電子系統都通過密封加以保護。這種情況不允許使用強制風冷式散熱，因此，散熱管理通常是將大功率元器件產生的熱量傳導至電動汽車內的冷卻液。
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，英飛凌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。這樣就有一個面不能放置元件，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，這限制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面
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，不僅兩面都可以放置元器件，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只需要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上採用頂部散熱的熱阻，比在FR4上採用底部散熱改善了35%，甚至比在IMS上採用底部散熱也略有改善，而成本卻大大降低。

儘管成本更低，TSC的性能卻優於底部散熱IMS設計

FR4本身的散熱限制與此有關，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的溫度限制意味著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。