功率轉(zhuǎn)換效率對(duì)于解決電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程和充電時(shí)間的問題至關(guān)重要。具有直流輸出和大型磁性元件的車載充電器 (OBC) 可以通過以更高的頻率進(jìn)行切換，從而受益于減小尺寸和成本，但它們存在動(dòng)態(tài)損耗增加和效率降低的風(fēng)險(xiǎn)。MOSFET，特別是那些使用碳化硅的MOSFET，可以通過提供更低的損耗來解決這個(gè)問題。

UnitedSiC（現(xiàn)已成為 Qorvo 的一部分）率先推出了 SiC FET，這是一種 SiC JFET 和硅 MOSFET 的常斷共源共柵組合。它是 SiC 寬帶隙技術(shù)中的佼佼者，在所有競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)中擁有的品質(zhì)因數(shù) (FoM)。FOM RdsA 是一個(gè)示例，它是特定電壓等級(jí)器件的導(dǎo)通電阻和芯片面積的乘積，圖 1 顯示了 SiC FET 的比較情況。

圖 1：SiC FET 與競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)相比的 RdsA 品質(zhì)因數(shù)

由于具有快速開關(guān)和低損耗體二極管，SiC FET 在硬開關(guān)拓?fù)渲斜憩F(xiàn)出色，例如 OBC PFC 前端（通常是圖騰柱布置或“有源前端”），可實(shí)現(xiàn)高效率和雙向功能。如果不需要反向功率流，Vienna 整流器很常見，即使對(duì)于 800V 總線應(yīng)用，它也使用額定電壓較低的晶體管，并且還受益于使用具有超低傳導(dǎo)損耗的 SiC FET。

在 OBC DC/DC 轉(zhuǎn)換級(jí)中，SiC FET 也是理想的選擇。該級(jí)通常采用軟開關(guān) LLC 或 CLLC 拓?fù)?，后者非常適合雙向功率轉(zhuǎn)換。

SiC FET 封裝選項(xiàng)

SiC FET 顯示出其卓越的性能，特別是在高電壓和數(shù)千瓦應(yīng)用中，即使效率達(dá)到 99.5% 或更高，器件功耗仍可能超過 10 W。為了保持可接受的結(jié)溫升，TO247 封裝很受歡迎，其結(jié)殼熱阻非常低。在 SiC FET 中，采用銀燒結(jié)芯片貼裝和先進(jìn)的晶圓減薄技術(shù)來進(jìn)一步提高熱性能。Qorvo 的大多數(shù) SiC FET 均采用這種類型，通常采用第四根引線作為與 JFET 源極的開爾文連接（指定為 T0247-4L），以避免負(fù)載電流與柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)路之間的相互作用。在 OBC 應(yīng)用中，TO247 器件將通過機(jī)械方式夾緊到具有陶瓷絕緣體和導(dǎo)熱膏的液冷鋁散熱器上。端接將通過 PCB 上的通孔進(jìn)行，并在引線上形成應(yīng)力消除裝置。雖然這提供了非常好的熱性能，但它涉及用于夾緊和焊接的大量機(jī)械組裝、多個(gè)零件以及導(dǎo)熱膏的混亂應(yīng)用。電壓隔離爬電距離和器件引腳之間的間隙也受到限制。

表面貼裝封裝節(jié)省成本

現(xiàn)代替代方案是使用表面貼裝部件，現(xiàn)在 Qorvo 提供 D2PAK-7L 格式的 SiC FET。這些器件具有低導(dǎo)通電阻，與 TO247 類型相當(dāng)，但可以通過機(jī)器放置和回流焊接到連接到液體冷卻系統(tǒng)的絕緣金屬基板 (IMS)。無需人工操作或絕緣墊和粘貼。D2PAK-7L 封裝中的五個(gè)并行源極引線比 TO247 單引線具有更低的組合電阻和電感，并且漏極連接的爬電距離和間隙要大得多。

由于可用空間，需要權(quán)衡散熱墊尺寸 — TO247 為176 mm 2 ，而D2PAK-7L 為43 mm 2 。這會(huì)影響從結(jié)點(diǎn)到冷卻液的整體熱阻。表 1 比較了兩種封裝類型的熱芯片焊盤尺寸、引線電感以及爬電距離和間隙。表 2 顯示了兩個(gè) SiC FET 器件和不同陶瓷隔離器材料的 TO247-4L 從結(jié)到外殼、結(jié)到冷卻液以及外殼到流體的熱阻值。表 3 顯示了具有兩種不同 IMS 電介質(zhì)厚度和相關(guān)熱導(dǎo)率的 D2PAK-7L SiC FET 從結(jié)到外殼、結(jié)到流體以及外殼到流體的熱阻數(shù)據(jù)。

表 1：D2PAK-7L 和 TO247-4L 封裝物理特性比較

表 2：TO247-4L 封裝的熱性能與兩個(gè) SiC FET 的替代陶瓷隔離器相比

表 3：兩種 SiC FET 的 D2PAK-7L 封裝熱性能與不同 IMS 電介質(zhì)厚度的比較

該圖表顯示了 IMS 上 RthCF 的壞情況 TO247 為 0.6°C/W，D2PAK-7L 為 1.2°C/W，以方便結(jié)溫估算。

在每個(gè)應(yīng)用中重要的是結(jié)溫升和效率，受傳導(dǎo)和動(dòng)態(tài)損耗的影響。然而，損耗隨著結(jié)溫的增加而增加，因此這兩種效應(yīng)是相互依賴的。盡管如此，對(duì)于給定的標(biāo)稱導(dǎo)通電阻，兩種封裝中器件的開關(guān)損耗與負(fù)載電流之間存在復(fù)雜的關(guān)系，如圖 2 所示。

圖 2：對(duì)于具有相同 25°C 導(dǎo)通電阻的器件，使用采用 TO247-4L 和 D2PAK-7L 封裝的 750V 第 4 代 SiC FET 的 400V 總線，開關(guān)損耗 E SW (μJ) 與電流的關(guān)系示例

Qorvo FET-Jet 計(jì)算器為您代勞

由于存在如此多的相互依賴性和變量，預(yù)測(cè)特定電源轉(zhuǎn)換電路的整體效率非常復(fù)雜。然而，Qorvo (UnitedSiC) 在線 FET-Jet 計(jì)算器支持 SiC FET，該計(jì)算器會(huì)自動(dòng)考慮所有參數(shù)，并輸出用戶使用的各種電源電路的效率、溫升和損耗水平- 指定條件。一個(gè)例子可以說明計(jì)算器的功能：圖 3 是由 230 VAC 供電的圖騰柱 PFC 級(jí)的輪廓電路，額定功率為 6.6 kW，400 VDC 總線在“硬開關(guān)”連續(xù)傳導(dǎo)模式下運(yùn)行?？焱仍O(shè)備以 75 kHz 開關(guān)，慢腿設(shè)備以線路頻率開關(guān)。兩條快腿在每個(gè)位置上交錯(cuò)有一個(gè)設(shè)備，而慢腿在每個(gè)位置上也有一個(gè)設(shè)備。

圖 3：交錯(cuò)圖騰柱 PFC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

表 4 顯示了 FET-Jet 計(jì)算器針對(duì)一系列 SiC FET 器件計(jì)算出的每個(gè)快速橋臂開關(guān)的損耗和峰值結(jié)溫。當(dāng)所有因素及其相互作用結(jié)合起來時(shí)，兩種封裝類型之間實(shí)現(xiàn)的半導(dǎo)體效率差異很小。SMD 封裝的峰值結(jié)溫較高，但仍然合理，特別是考慮到 SiC 固有的高溫魯棒性。

表 4：采用 TO247-4L 和 D2PAK-7L 封裝的 SiC FET 器件，圖 3 示例 PFC 級(jí)中每個(gè)快速橋臂開關(guān)的損耗和峰值結(jié)溫

軟交換拓?fù)渚哂邢嗤膬?yōu)勢(shì)

圖騰柱 PFC 級(jí)是在連續(xù)導(dǎo)通模式下運(yùn)行時(shí)的硬開關(guān)拓?fù)涞囊粋€(gè)示例，這對(duì)于限制組件應(yīng)力是必要的。軟開關(guān)電路的一個(gè)示例是 CLLC 拓?fù)洌ǔＳ糜?EV OBC DC/DC 轉(zhuǎn)換級(jí)（圖 4）。

圖 4：CLLC DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輪廓

在該電路中，額定功率為 6.6 kW，使用 400 VDC 總線以 300 kHz 進(jìn)行開關(guān)，并采用與 PFC 示例相同的熱假設(shè)，F(xiàn)ET-Jet 計(jì)算器得出表 5 的結(jié)果。這些結(jié)果表明，在器件效率介于同類 SMD 和通孔器件之間，并且峰值結(jié)溫僅存在幾度差異。實(shí)際上，SiC FET 還可以在系統(tǒng)的其他地方提供效率節(jié)省，例如，在柵極驅(qū)動(dòng)電路中，由于總柵極電荷低且所需的電壓擺幅小，以及在任何緩沖器中，與所需的相比，其耗散非常小適用于較大的 Si MOSFET 和 IGBT。

表 5：TO247-4L 和 D2PAK-7L 封裝中 SiC FET 器件的圖 4 示例 CLLC 級(jí)中的開關(guān)損耗和峰值結(jié)溫

表面貼裝開關(guān)可用于 22 kW Vienna 整流器級(jí)

作為一個(gè)示例，Vienna 整流器如圖 5 所示。該電路在 22 kW、40 kHz 開關(guān)和 800 VDC 總線下進(jìn)行評(píng)估。同樣，假設(shè)外殼到環(huán)境的熱阻與前面的示例相同。750V SiC FET 可與 UJ3D1250K2 型 1,200V SiC 二極管一起使用。表 6 顯示了 FET-Jet 計(jì)算器結(jié)果，在此功率水平下，TO247-4L 封裝的更好熱性能是顯而易見的。然而，如果使用低導(dǎo)通電阻的器件，D2PAK-7L 封裝仍然完全可行，性能將峰值結(jié)溫限制在 100°C 以下。

圖 5：Vienna 整流器 PFC 和整流級(jí)概述

表 6：采用 TO247-4L 和 D2PAK-7L 封裝的 SiC FET 器件，圖 5 所示維也納整流器級(jí)示例中的開關(guān)損耗和峰值結(jié)溫