SiC FET 封装选项提高了車(chē)载充電(diàn)器性能(néng)

2022-06-24

SiC FET 封装选项提高了車(chē)载充電(diàn)器性能(néng)

功率转换效率对于解决電(diàn)动汽車(chē)续航里程和充電(diàn)时间的担忧至关重要。具有(yǒu)直流输出和大型磁性元件的車(chē)载充電(diàn)器 (OBC) 可(kě)以通过在更高频率下切换而受益于减小(xiǎo)的尺寸和成本，但它们存在动态损耗增加和效率降低的风险。MOSFET，尤其是那些使用(yòng)碳化硅的 MOSFET，可(kě)以通过提供更低的损耗来解决这个问题。

UnitedSiC 现已成為(wèi) Qorvo 的一部分(fēn)，率先推出了 SiC FET，这是一种常关型、级联组合，由 SiC JFET 和硅 MOSFET 组成。作為(wèi) SiC 宽带隙技术中的佼佼者，它在所有(yǒu)竞争技术中具有(yǒu)最佳的品质因数 (FoM)。FOM RdsA 是特定電(diàn)压等级器件的导通電(diàn)阻和芯片面积的乘积，就是一个例子，图 1 显示了 SiC FET 的比较情况。

图 1：与竞争技术相比，SiC FET 的品质因数 RdsA

由于其快速开关和低损耗體(tǐ)二极管，SiC FET 在硬开关拓扑中表现出色，例如 OBC PFC 前端，通常是图腾柱布置或“有(yǒu)源前端”，具有(yǒu)高效率和双向能(néng)力. 如果不需要反向功率流，Vienna 整流器很(hěn)常见，它使用(yòng)额定電(diàn)压较低的晶體(tǐ)管，即使用(yòng)于 800V 总線(xiàn)应用(yòng)，也受益于使用(yòng)具有(yǒu)超低导通损耗的 SiC FET。

在 OBC DC/DC 转换阶段，SiC FET 也是理(lǐ)想的选择。该级通常是软开关 LLC 或 CLLC 拓扑，后者非常适合双向功率转换。

SiC FET 封装选项

SiC FET 表现出卓越的性能(néng)，特别是在高压和多(duō)千瓦应用(yòng)中，即使效率达到 99.5% 或更高，器件功耗仍然可(kě)以超过 10 W。為(wèi)了保持可(kě)接受的结温升，TO247 封装很(hěn)受欢迎，具有(yǒu)它的结壳热阻非常低。在 SiC FET 中，银烧结芯片贴装和先进的晶圆减薄技术用(yòng)于进一步提高热性能(néng)。Qorvo 的大多(duō)数 SiC FET 都采用(yòng)这种样式，通常使用(yòng)第四根引線(xiàn)作為(wèi)开尔文(wén)连接到 JFET 源极，指定為(wèi) T0247-4L，以避免负载電(diàn)流和栅极驱动环路之间的相互作用(yòng)。在 OBC 应用(yòng)中，TO247 器件将被机械夹在带有(yǒu)陶瓷绝缘體(tǐ)和导热膏的液冷铝散热器上。端接将连接到 PCB 中的通孔，并在引線(xiàn)上形成应力消除。虽然这提供了非常好的热性能(néng)，但它涉及用(yòng)于夹持和焊接的大量机械组装、多(duō)个部件以及导热膏的杂乱应用(yòng)。器件引脚之间的電(diàn)压隔离爬電(diàn)距离和间隙也受到限制。

表面贴装封装节省成本

现代替代方案是使用(yòng)表面贴装部件，现在 Qorvo 提供 D2PAK-7L 格式的 SiC FET。这些器件具有(yǒu)低导通電(diàn)阻，可(kě)与 TO247 类型相媲美，但可(kě)以机器放置和回流焊接到连接到液體(tǐ)冷却系统的绝缘金属基板 (IMS)。无需手动操作或绝缘垫和粘贴。D2PAK-7L 封装中的五个并联源极引線(xiàn)与 TO247 单引線(xiàn)相比具有(yǒu)更低的组合電(diàn)阻和電(diàn)感，并且漏极连接的爬電(diàn)距离和间隙要大得多(duō)。

由于可(kě)用(yòng)空间，需要权衡的是导热垫尺寸——TO247 為(wèi) 176 mm 2，而 D2PAK-7L 為(wèi) 43 mm 2。这会影响从结到冷却液的整體(tǐ)热阻。表 1 比较了两种封装类型的热芯片焊盘尺寸、引線(xiàn)電(diàn)感以及爬電(diàn)距离和间隙。表 2 显示了使用(yòng) TO247-4L 為(wèi)两个 SiC FET 器件和不同陶瓷隔离器材料实现的结到外壳、结到冷却流體(tǐ)以及外壳到流體(tǐ)的热阻数据。表 3 显示了具有(yǒu)两种不同 IMS 電(diàn)介质厚度和相关热导率的 D2PAK-7L SiC FET 从结到外壳、结到流體(tǐ)以及外壳到流體(tǐ)的热阻数据。

表 1：D2PAK-7L 和 TO247-4L 封装物(wù)理(lǐ)特性比较

表 2：TO247-4L 封装的热性能(néng)与两个 SiC FET 的替代陶瓷隔离器的比较

表 3：D2PAK-7L 封装的热性能(néng)与两个 SiC FET 的不同 IMS 電(diàn)介质厚度的比较

该图表显示了最坏情况下 TO247 的 0.6˚C/W 和 D2PAK-7L 的 1.2˚C/W 在 IMS 上用(yòng)于 RthCF 以促进结温估计。

在每个应用(yòng)中最重要的是结温升高和效率，受传导和动态损耗的影响。然而，损耗随着结温而增加，因此这两种效应是相互依赖的。即便如此，对于给定的标称导通電(diàn)阻，两种封装中器件的开关损耗与负载電(diàn)流有(yǒu)着复杂的关系，如图 2 所示。

图 2：使用(yòng)采用(yòng) TO247-4L 和 D2PAK-7L 封装的 750-V 第 4 代 SiC FET 的 400-V 总線(xiàn)的示例开关损耗 E SW (µJ) 与電(diàn)流的关系，器件具有(yǒu)相同的 25°C 导通電(diàn)阻

Qorvo FET-Jet 计算器為(wèi)您完成工作

由于存在如此多(duō)的相互依赖性和变量，因此预测特定電(diàn)源转换電(diàn)路的整體(tǐ)效率非常复杂。然而，SiC FET 由 Qorvo (UnitedSiC) 在線(xiàn)、免费使用(yòng)的 FET-Jet 计算器支持，该计算器自动考虑所有(yǒu)参数，并為(wèi)用(yòng)户提供的各种電(diàn)源電(diàn)路输出效率、温升和损耗水平- 指定的条件。一个例子可(kě)以说明计算器的功率：图 3 是图腾柱 PFC 级的轮廓電(diàn)路，由 230 VAC 供電(diàn)，额定功率為(wèi) 6.6 kW，400 VDC 总線(xiàn)在“硬开关”连续导通模式下运行。快腿设备以 75 kHz 切换，慢腿设备以線(xiàn)路频率切换。两条快腿与每个位置的单个设备交错，慢腿也有(yǒu)每个位置的单个设备。

图 3：概述交错图腾柱 PFC 拓扑

表 4 显示了来自 FET-Jet Calculator 的每个快速支路开关的计算损耗和峰值结温，适用(yòng)于一系列 SiC FET 器件。当所有(yǒu)因素及其相互作用(yòng)相结合时，两种封装类型之间实现的半导體(tǐ)效率差异很(hěn)小(xiǎo)。SMD 封装的峰值结温更高但仍然合理(lǐ)，特别是考虑到 SiC 固有(yǒu)的高温稳健性。

表 4：TO247-4L 和 D2PAK-7L 封装中的 SiC FET 器件在图 3 的示例 PFC 级中每个快速支路开关的损耗和峰值结温

软交换拓扑也有(yǒu)同样的好处

图腾柱 PFC 级是在连续导通模式下运行时硬开关拓扑的一个示例，这是限制组件应力所必需的。软开关電(diàn)路的一个示例是 CLLC 拓扑，通常用(yòng)于 EV OBC DC/DC 转换级（图 4）。

图 4：CLLC DC/DC 转换器的外形

在此電(diàn)路中，额定功率為(wèi) 6.6 kW，开关频率為(wèi) 300 kHz，总線(xiàn)為(wèi) 400-VDC，热假设与 PFC 示例相同，FET-Jet 计算器得出表 5 的结果。这些结果表明，在其他(tā)可(kě)比的 SMD 和通孔器件之间的器件效率，并且峰值结温仅相差几度。在实践中，SiC FET 还可(kě)以在系统的其他(tā)地方节省效率——例如，在栅极驱动電(diàn)路中，由于所需的总栅极電(diàn)荷和小(xiǎo)電(diàn)压摆幅，以及在任何缓冲器中，与所需的那些相比，它的耗散非常少对于较大的 Si MOSFET 和 IGBT。

表 5：图 4 示例 CLLC 阶段中 TO247-4L 和 D2PAK-7L 封装的 SiC FET 器件的开关损耗和峰值结温

表面贴装开关可(kě)用(yòng)于 22 kW Vienna 整流器级

作為(wèi)最后一个示例，Vienna 整流器如图 5 所示。该電(diàn)路在 22 kW、40 kHz 开关频率和 800 VDC 总線(xiàn)下进行了评估。同样，假设与前面的示例一样，外壳到环境的热阻相同。750-V SiC FET 可(kě)与 1,200-V SiC 二极管（UJ3D1250K2 类型）一起使用(yòng)。表 6 显示了 FET-Jet 计算器的结果，在这个功率水平下，TO247-4L 封装的更好的热性能(néng)是显而易见的。然而，如果使用(yòng)具有(yǒu)低导通電(diàn)阻的器件，D2PAK-7L 封装仍然是完全可(kě)行的，性能(néng)最好的封装将峰值结温限制在 100˚C 以下。

图 5：Vienna 整流器 PFC 和整流级概述

表 6：TO247-4L 和 D2PAK-7L 封装中的 SiC FET 器件在图 5 示例 Vienna 整流器级中的开关损耗和峰值结温

结论

分(fēn)析表明，在多(duō)千瓦级别的 EV 車(chē)载充電(diàn)器的所有(yǒu)转换阶段，与 TO247-4L 封装相比，Qorvo 的 SiC FET D2PAK-7L 器件具有(yǒu)出色的性能(néng)，尤其是导通電(diàn)阻最低的变體(tǐ)。使用(yòng)表面贴装器件可(kě)显着节省组装和相关硬件成本，以及 SiC FET 带来的广泛其他(tā)优势，例如一流的 FOM、易于栅极驱动、超低损耗體(tǐ)二极管和从高雪(xuě)崩和短路额定值固有(yǒu)的坚固性。