技术解析｜高功率密度车载充电器如何散热设计难点？

原创汽车电子设计 2024-12-02 08:11

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芝能智芯出品

在新能源汽车快速发展的背景下，车载充电系统(OBC)正面临高功率密度和系统复杂性不断提升的挑战。

我们将深度解析高功率密度OBC设计中的难点与应对方法，涵盖热管理、机械完整性以及电热协同仿真技术在系统优化中的作用。通过探讨设计革新，尝试为未来的高效车载充电系统提供技术思路和方向。

Part 1

汽车行业的应用挑战与设计难点

在 Tiny Power Box 项目中，目标是实现超越现有技术水平的功率密度，如从初始的 3.1kW/L 向更高目标迈进（如 5kW/L 及以上），这对芯片的性能和散热能力提出了巨大挑战。

高功率密度意味着芯片需要在更小的体积内处理更高的功率，容易导致过热问题，影响芯片的稳定性和寿命。

OBC（车载充电器）在能量转换效率、系统可靠性和体积优化方面提出了更高的要求，实现高功率密度与紧凑结构的集成化设计，依然面临以下核心挑战：

● 热管理与散热效率：OBC的高功率密度不可避免地增加了系统的热流密度。

功率半导体如SiC MOSFET的散热依赖于热界面材料（TIM）的均匀压缩。然而，PCB翘曲、冷却板变形和TIM不均匀压缩可能导致局部过热，最终影响系统性能和寿命。

● 机械完整性与结构设计：OBC中不同组件的机械组装需确保系统的抗震能力和热连接稳定性。

TIM厚度的精确控制以及冷却液路的设计至关重要。例如，若冷却液分布不均，将导致热热点和效率下降。此外，铝制冷却板及其配套支撑结构需要在机械负载和热传导间取得平衡。

● 电磁兼容性与电气隔离：现代OBC集成了单相和三相AC-DC转换功能，其复杂电路拓扑容易引发EMI（电磁干扰）问题。

同时，在提供电气隔离的同时，还需优化热界面的散热性能，尤其是在高压应用中需保证器件的安全性。

● 系统集成与仿真难度：OBC、DCDC 转换器等。

芯片需要与其他组件高度集成，在有限的空间内实现最优布局。然而，不同组件的尺寸、形状和功能需求各异，如何合理安排它们的位置，确保电气连接可靠、信号传输稳定、散热通道畅通，同时满足电磁兼容性（EMC）要求，是一个极具挑战性的任务。

传统的机械和电子设计方法无法满足高功率密度设计对热、电、机械三者的高度协同需求。当前需依赖电热协同仿真和高保真模型，以评估散热路径、电流密度分布和机械强度的相互作用。

为满足电动车辆多样化的功能需求，芯片架构需要具备高度的灵活性和可扩展性。例如，在支持不同功率等级（如 7kW、11kW 等）的 OBC 应用中，芯片架构要能够适应单相和三相操作模式，同时兼顾不同电压等级（如 250V - 460V HV 输出、12V LV 输出等）的转换需求，这对芯片的内部架构设计、模块划分和通信机制提出了很高的要求。

需要精确管理电源分配和转换。要实现高效的电能转换，如在 OBC 中将交流电转换为直流电，同时满足不同电压和功率的输出要求；

要具备良好的电源动态响应能力，以应对车辆启动、加速、充电等过程中的电源波动，确保系统稳定运行，芯片还需要在低功耗模式下实现节能。