現如今，全球移動出行領域正處于一個重大轉變之中，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，預計到2030年，電動汽車預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，高效和可持續的電源轉換系統對于滿足日益增長的需求和電力要求至關重要。

為此，采用寬帶隙(WBG)半導體，如碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)，能夠實現高效、強大且長期成本效益高的電源解決方案。此外，創新技術如頂部冷卻可以幫助設計師實現最佳熱性能并降低組裝成本。

電動汽車中的電源轉換系統，特別是車載充電器和DC-DC轉換器，對于管理車輛內部的電力流動、優化充電過程以及促進各種電源的集成至關重要。這些電源轉換系統對電動汽車的整體性能、效率和用戶體驗至關重要。它們的正常運行對于最大化電動汽車的續航里程、可靠性和功能性至關重要，使其在向可持續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電池系統的快速采用，OBC和DC-DC電源系統引入了新的復雜性水平，這種復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半導體通過實現前所未有的效率和性能，同時與成本效益高的硅(Si)技術共存，徹底改變了汽車系統的電源轉換。基于SiC的設計在廣泛的溫度范圍內提供高魯棒性和效率，與基于Si的設計相比，顯著降低了開關和傳導損耗，從而實現最佳性能和熱效率。另一方面，GaN在更高的開關頻率下提供無與倫比的效率和幾乎無損的開關，使設備更小、更緊湊。

雖然GaN和SiC各自都提供了許多好處，但當它們一起使用時，它們的優勢更加明顯。它們共同在汽車電源轉換系統中提供了效率、緊湊性和經濟性的引人注目的組合。設計師可以利用這種組合來實現最佳的功率密度和熱效率，同時啟用新的拓撲結構，從而提高車輛性能和續航里程。

越來越多的頂級制造商正在采用這些拓撲結構，因為它們比前幾代產品更簡單。例如，在11 kW設計的PFC階段，與第一代拓撲結構中使用的18個晶體管(3x單相交錯)相比，第二代拓撲結構僅使用8個晶體管(三相B6或VSC)。僅減少晶體管數量就使設計變得簡單得多。

新的拓撲結構還使用更少的柵極驅動器，并允許單個微控制器接管電源供應兩個階段的控制回路，即PFC和HV-HV DC-DC。為了進一步簡化設計，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計并降低了OBC的冷卻和開發成本，但它并沒有優化功率密度和效率。這是由于需要巨大的努力來設計EMI濾波器和PFC扼流圈，因為它們需要在高于第一代拓撲結構設計的電壓下進行濾波和開關。當然，在更高的電壓下，開關頻率不能非常高(例如，PFC 95.5%)。一些出版物已經證明，在B6/B8拓撲結構中添加ZVS單元可以進一步提高效率，并在更高的組件計數下實現更高的開關頻率。

此外，沒有900V-1000V鋁電容器可用于PFC轉換器的輸出。因此，設計師需要使用450V-500V鋁電容的串聯并聯排列來實現存儲能量所需的電容，當B6拓撲結構配置為與單相電網(例如B8)一起工作時，補償100Hz/120Hz紋波。

具有650V-750V晶體管的拓撲結構可以進一步提高功率密度和效率，同時降低系統成本。這種拓撲結構仍將與三相電網和800V電池架構兼容。為此，如圖5所示，需要多級轉換器。

在圖5中，左側的兩個拓撲結構是硬開關PFC，其中頂部圖像顯示了飛跨電容拓撲結構，底部圖像顯示了有源中性點鉗位拓撲結構。右側的拓撲結構是諧振HV-HV DC-DC轉換器，其中頂部圖像顯示了多級CLLC，底部圖像顯示了多級DAB。

隨著汽車行業的不斷發展，可持續設計對于減輕車輛對環境的影響至關重要。通過優先考慮環保材料、節能動力系統和可回收組件，汽車解決方案可以有助于減少碳排放和保護自然資源。在電源轉換系統中，這將在優化過程中發揮關鍵作用，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的重量和成本。

GaN的卓越開關能力和高頻操作使新型電力電子拓撲結構能夠實現更高的效率和功率密度。GaN還通過減少外殼的數量以及電氣組件的尺寸和數量，包括大量的稀有材料，從而顯著提高了可持續性，從而減少了系統的總體重量。

隨著GaN功率晶體管制造中橫向結構的引入，可以設計雙向開關(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撲結構。

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中的每個相供電，使650V設備成為可能。根據電池電壓，設計師可以選擇650V GaN或1200V SiC晶體管。

圖7(右)顯示了一個矩陣或循環轉換器——一個創新設計的潛在候選者。這種拓撲結構可以輕松地用兩個1200V分立器件在初級側背對背連接，并在次級側使用普通器件實現。這里的挑戰是選擇低電阻器件以獲得正確的總RDS(on)(雙向開關的RDS(on)是單個器件的兩倍)，根據適當的功率等級和預期的功率耗散。

該拓撲結構是完全諧振的，可以是LLC或DAB，開關頻率范圍將取決于輸出負載和輸入供電條件。由于這是一個真正的三相拓撲結構，考慮到可能發生的最大輸入電壓和電壓波動，真正的雙向GaN開關應具有至少900V的最小擊穿電壓。Infineon正在積極設計汽車BDS GaN開關，以便頂級制造商為這些第三代拓撲結構的批量生產做好準備。

除了使用寬帶隙技術提高效率外，設備封裝和冷卻也成為方程式的重要部分，并在實現更密集的OBC設計中發揮關鍵作用。雖然通孔設備(THD)封裝，如TO-247和TO220，在許多應用中仍然廣泛使用，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提供了幾個優勢，如D2PAK和DPAK，它們將熱量從芯片向下傳導到板載設備的底部。這種熱傳導方向是一個缺點，因為PCB不是為非常高的熱傳導優化的，并為BSC設備創建了相當大的熱屏障，需要額外的導熱通孔以允許多余的熱量安全地消散。

這種方法的一個負面后果是，它使PCB布線更具挑戰性，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設備的熱性能，但這些板比傳統的FR4 PCB更昂貴。

采用TSC技術尤為顯著，并將塑造未來電源轉換系統的設計。在TSC設備中，半導體芯片產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，而不是結合FR4和IMS板，這種設計使單個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，降低了整體系統成本。TSC還有助于優化功率回路設計，以提高可靠性。這是可能的，因為驅動器可以非常靠近功率開關放置。驅動器開關的低雜散電感減少了回路寄生，導致柵極上的振鈴更少，性能更高，故障風險更低。此外，封裝概念符合JEDEC標準，免版稅，這使得第二來源制造容易且對許多供應商可用，而市場上其他概念是專有的，不容易復制。

圖9總結了TSC技術的關鍵好處。

Infineon已經為其許多功率設備開發了具有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產品。此外，低壓功率MOSFET已經可以在TSC TOLT封裝中使用，這使得OBC和DC-DC轉換器的整個系統為TSC制造做好準備。這些設備提供與THD設備相當的散熱能力，甚至更好的電氣性能。

具有2.3mm的標準高度，QDPAK和DDPAK SMD TSC封裝，以及高壓和低壓兩種選擇，有助于設計完整的應用，如OBC和DC-DC轉換器，使用具有相同高度的組件。這降低了與基于3D冷卻系統的現有解決方案相比的冷卻成本。

雖然SiC和GaN技術主導了實現電源解決方案更高效率和功率密度的戰斗，并且它們對于最小化能量損失、延長行駛范圍和實現電動汽車的更快充電至關重要，但有效的熱管理在實現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揮著重要作用。

創新的封裝設計使頂部冷卻成為可能，從而實現了比基于IMS的解決方案更好的熱性能。其更簡單的結構消除了多板組件，減少了組件數量和成本，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，有幾個想法在創新階段，可以為電源轉換設計師提供許多優勢，以提高功率密度、可制造性、效率和系統成本。

使用電路板的雙面可以顯著提高功率密度，同時減少系統中的寄生元件。雖然頂部冷卻(TSC)技術可能看起來“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過驗證的技術，如有無熱界面材料的間隙填充物，以產生優雅且最重要的是可靠的解決方案。