為了避免讓電動車成為破壞電網穩定的元凶，甚至反過來讓電動車成為電網的安定因子，基於寬能隙元件技術的雙向OBC，將是未來的發展趨勢。 在汽車產業，從底盤到動力傳動、資訊娛樂、連線功能和駕駛輔助系統，車輛設計的幾乎所有方面都在快速發展和創新。純電動車(BEV)若要快速且廣泛地普及，就必須解決充電時間對駕駛人造成的擔憂和壓力，尤其是在長途公路的旅途中。毫無疑問，車載充電器(OBC)設計比大多數領域受到更嚴格的檢視。 在實現更高功率密度和更高效率的OBC過程中，設計人員正在從目前的矽(Si)基解決方案轉向寬能隙(WBG)功率半導體技術，例如碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)。相較於矽基裝置的傳統拓撲，一旦充分瞭解WBG裝置更出色的品質因數(FoM)，設計人員就能憑藉創新概念開發更高切換頻率的新拓撲，並採用以往無法或難以實作的調變方案。此外，有效的熱設計(即採用新散熱概念的創新封裝)，將為未來OBC設計的功率密度和效率開創全新境界。 本文將探討OBC設計的趨勢，比較不同半導體技術的FOM，並介紹了新的表面黏著裝置(SMD)封裝。全方位的解決方案帶來不同拓撲的創新、更高的效率和功率密度，並實現了雙向架構，將電動汽車(EV)整合至智慧電網中。 OBC功能要求更多樣　設計複雜化趨勢難擋 OBC的用途是將電網的交流電轉換為直流電壓，以便為動力電池充電。車輛必須處於停止狀態，OBC才能執行這項工作；若車輛在移動中，必須靠DC/DC來驅動車輛。這個概念勢必會增加車輛載重，還會提高散熱負荷。有鑑於此，OBC加上DC/DC的尺寸和重量必須最小化，以減少對行駛里程及在電力傳動系統占用車內空間的影響，同時仍可支援快速、高效率的充電。 同樣，未來電網法規朝智慧電網發展，當停電和天災發生時，汽車電池有可能扮演緊急電源的角色。這些趨勢都會對OBC設計造成影響，因為這類裝置必須支援雙向電力流動。 在瞭解OBC設計人員的五項關鍵挑戰時，必須掌握這些層面密不可分的關聯性： ‧功率等級不斷提高，以加快充電速度 目前的插電式混合動力車和純電動車(BEV)的OBC功率等級範圍為3.6~7.2kW。ODM現階段的OBC設計在未來3至5年內，會將下一代電動汽車的功率等級提升至7.2~11kW。對於配備800V電池的豪華或高檔車款，OBC的設計功率可達到22kW。 ‧功率密度增加 功率密度增加意味著尺寸和重量減少，有助於延長電動汽車的行駛里程。提高效率不僅可以減少OBC內的熱量積聚(減少熱管理，進而縮小尺寸並提高功率密度)，且還允許從有限的電網源輸送更多電力為動力電池充電，進而縮短有效充電時間。 ‧效率提高 這點與前兩項趨勢密切相關。如果沒有較高效率的功率轉換器，就不可能以較高功率密度實現更高的功率等級。同樣，可能會實施額外法規來管理OBC轉換器的效率目標，例如油箱到車輪的效率。 ‧雙向操作 雙向操作對OBC設計人員構成另一項重大挑戰。隨著電動車越來越普遍，電網的壓力將顯著增加，特別是消費者在每天通勤後的夜間為車輛充電時。電力供應商認識到，電動車中儲存了大量可能並非立即需要的電力。這些電力可以返回電網，或在高峰時段為個別房屋供電，以壓低尖峰時段的電力需求。然而，要做到這一點，OBC需要能夠將電力從動力電池傳回電網，而不僅是為電動汽車充電。 ‧電池電壓持續升高 雖然400V電池至少在未來5年仍會是主流，但800V電池已逐漸獲得青睞，主要誘因是這類電池在充電和為動力馬達供電時，可減少電纜中的電流與相關I2R損耗。 圖1概述OBC設計的最重要趨勢和相應影響，並分別列出關鍵的解決方案推動因素。 圖1　OBC設計趨勢為電源設計人員帶來多項挑戰 為應對這些挑戰，所選擇的拓撲以及所使用的技術都非常重要，尤其是對於切換元件而言。在大多數情況下，WBG解決方案能為提供所需的效能優勢帶來重大貢獻。 Si、SiC和GaN之間的品質因數和技術差異 在分析OBC應用適合的WBG裝置時，第一步是比較每種技術的不同品質因數。這些比較結果已彙整於圖2。 圖2　英飛凌旗下各種技術的FoM比較   每項品質因數都有不同的含義，並以量化方式表示在不同拓撲中產生的影響。值得注意的是，FoM值(包括RDS(on)溫度係數)愈低，該技術就愈適合導入應用中。要選擇正確的技術，不能只評估單一FoM，而是必須考量一系列FoM的組合。 例如，RDS(on)×Qrr+RDS(on)×Eoss+RDS(on)的溫度係數組合顯示，SiC或GaN是硬切換應用(例如CCM圖騰柱PFC)的最佳選擇，其中以前者的性價比最佳。另一方面，RDS(on)×Qoss+RDS(on)*Qg+VF與RDS(on)的溫度係數組合顯示，GaN是最適合軟切換應用的技術，這類應用需在極高的切換頻率(>...

為了避免讓電動車成為破壞電網穩定的元凶，甚至反過來讓電動車成為電網的安定因子，基於寬能隙元件技術的雙向OBC，將是未來的發展趨勢。 創新封裝和散熱方法實現全新散熱設計 然而，在認識WBG技術所帶來優勢的同時，設計人員也必須意識到，散熱效能的改善，是實現這些重要目標的關鍵所在。 在現有SMD設計中，熱傳導路徑是向下通過元件支腳進入PCB，而PCB則是黏合在散熱器上。在具有挑戰性的應用中，功率元件可以安裝在絕緣金屬基板(IMS)上，以提高熱效能，因為這是比標準FR4材料更好的熱導體。然而，熱能具有上升的自然傾向，這使得底部散熱(BSC)設計顯得有些違反直覺。 透過創新封裝，業界發展出頂層冷卻(TSC)的獨立式半導體和功率IC(圖3)。此概念不僅利用熱量向上流動的自然原理，也提供許多額外優勢，皆有利於OBC設計和其他類似應用。 圖3　TSC允許雙面元件放置，使功率密度加倍   在底層冷卻中，通常將水冷板/散熱器連接至PCB/IMS底部以冷卻。這排除了將元件放置在一側的可能性，可降低兩倍的功率密度。此外，半導體裝置熱接合至PCB，亦即兩者將在相同的溫度下運作。由於FR4的Tg低於許多WBG裝置的操作溫度，因此無法充分發揮潛力。 透過將水冷板接合至功率元件的頂端，可輕易解決這些問題，使元件得以放置在兩側，並且WBG裝置能夠在整個操作溫度範圍內使用。 由於IMS通常需要為驅動器和被動元件使用單獨的FR4...