小封裝帶來好東西：OBC 充電器中的 SiC FET

（來源：Qorvo）

介紹

碳化硅 (SiC) MOSFET 正在穩(wěn)固地確立自己作為 22kW 及更高功率級(jí)別電動(dòng)汽車 (EV) 車載充電器所有階段半導(dǎo)體開關(guān)的競(jìng)爭(zhēng)者地位。UnitedSiC（現(xiàn)為 Qorvo）SiC FET 具有獨(dú)特的 Si MOSFET 和 SiC JFET 級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，效率優(yōu)于 IGBT，并且比超結(jié) MOSFET 更具吸引力。不過，這不僅僅是關(guān)于整個(gè)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的損耗。成本、尺寸和重量也是對(duì) EV 所有者重要的重要因素。

設(shè)計(jì)人員可以為 EV 車載充電器中的半導(dǎo)體功率開關(guān)選擇不同的封裝樣式，包括在使用 SiC FET 時(shí)可以達(dá)到數(shù)十 kW 的表面貼裝變體。在此博客中，我們將查看一些 SiC FET 性能數(shù)據(jù)。

OBC 充電器中的 SiC FET

在 EV 的典型功率水平下，即使效率超過 98%，車載充電器仍然需要在炎熱環(huán)境中從一個(gè)小外殼中耗散數(shù)百瓦特。因此，需要散熱，通常采用液體冷卻。一個(gè)主要的設(shè)計(jì)考慮是開關(guān)如何連接到這種散熱布置以實(shí)現(xiàn)最佳熱傳遞、產(chǎn)量可靠性和低組裝成本。在 TO-247-4L 封裝中發(fā)現(xiàn)SiC FET很常見，該封裝提供出色的熱性能，使用UnitedSiC從結(jié)點(diǎn)到冷卻液的熱性能約為 1.0°C/W（現(xiàn)為 Qorvo）的晶圓減薄技術(shù)，采用銀燒結(jié)芯片和陶瓷隔離墊。然而，TO-247-4L 封裝的缺點(diǎn)是需要機(jī)械固定和通孔焊接。它還具有顯著的封裝電感，并且其引腳之間的爬電距離和間隙有限。此外，封裝在 PCB 焊盤之間的距離更小，除非以復(fù)雜且昂貴的方式“接合”引線。

表面貼裝替代方案似乎很有吸引力，但在 22kW 級(jí)別？實(shí)際上，是的，它可以與UnitedSiC（現(xiàn)為 Qorvo）D2PAK-7L設(shè)備一起使用，對(duì)性能影響很小或沒有影響，具體取決于所考慮的電源轉(zhuǎn)換階段。查看下表 1中封裝樣式之間的主要差異，D2PAK-7L 勝出，芯片焊盤尺寸除外，這導(dǎo)致 18 毫歐姆鍵合器件的整體結(jié)至冷卻液熱阻約為 1.3°C/W絕緣金屬基板，比 TO-247-4L 封裝高約 30%。

表 1：D2PAK-7L 和 TO-247-4L 之間的比較（來源：Qorvo）

較高熱阻的實(shí)際效果是，對(duì)于給定的耗散功率，結(jié)溫度較高，所有情況都相同，但由于SMT器件節(jié)省了大量的組裝成本，可能可以使用較低電阻的部件，從而降低溫度。然而，如果僅使用一個(gè)SMT器件達(dá)到熱極限，則Tj變得過高，并聯(lián)SMT器件是可行的解決方案。如果使用兩個(gè)并聯(lián)的SMT器件來替換一個(gè)SMT器件，則與僅使用一個(gè)SMT設(shè)備相比，兩個(gè)并聯(lián)SMT器件中的每一個(gè)應(yīng)具有兩倍的導(dǎo)通電阻。在這種情況下，每個(gè)部件中的電流減半，但每個(gè)部件的導(dǎo)通電阻加倍，因此耗散是單個(gè)部件的一半。與僅使用一個(gè)具有一半導(dǎo)通電阻的SMT器件相比，兩個(gè)并聯(lián)SMT器件的總功耗將略低。在熱方面，每個(gè)器件都會(huì)更冷，因?yàn)閷?duì)于相同的熱管理（從結(jié)到環(huán)境或冷卻劑的熱阻），每個(gè)并聯(lián)器件只消耗單個(gè)SMT器件一半的損耗。因此，理論上，每個(gè)并聯(lián)SMT器件從環(huán)境或冷卻劑到結(jié)的溫度升高也應(yīng)該是單個(gè)SMT器件的一半。除此之外，D2PAK-7L的較低封裝電感可能允許更快的開關(guān)邊緣速率，甚至更低的動(dòng)態(tài)損耗。

使用 UnitedSiC 在線 FET-Jet Calculator ?查看典型車載充電器不同階段的封裝性能比較示例非常有用。“圖騰柱 PFC”級(jí)很常見，一個(gè)額定功率為 6.6kW、400V 輸出、75kHz、連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 的示例使用一系列 TO-247-4L 和 D2PAK-7L SiC FET 進(jìn)行了評(píng)估，以實(shí)現(xiàn)“快速”開關(guān)'腿，散熱器/流體溫度為 80°C。兩種封裝之間的結(jié)溫差范圍為 3°C 至 8°C，具體取決于導(dǎo)通電阻的等級(jí)。

在更高功率和三相交流電源下，“維也納整流器”可能與 800V 直流鏈路一起使用，例如 40kHz（圖 1）?？梢允褂?50V SiC FET，如果再次比較 18 毫歐 TO-247-4L 和 D2PAK-7L 部件，結(jié)溫差異僅為 3°C，“半導(dǎo)體”效率差異為 0.1%。此應(yīng)用中的導(dǎo)通電阻較高的部件不可避免地會(huì)顯示出較大的差異，單個(gè)設(shè)備的溫升無法正常工作，但在高價(jià)值產(chǎn)品中為 22kW，較低電阻部件的成本對(duì)于獲得的好處而言并不是很大的開銷。

圖 1：該圖展示了 Vienna 整流器前端。（來源：Qorvo）

D2PAK-7L 可有效替代 DC/DC 級(jí)中的 TO-247-4L

剛剛考慮的圖騰柱 PFC 和 Vienna 整流器級(jí)是“硬”開關(guān)，頻率保持相對(duì)較低以最大限度地減少動(dòng)態(tài)損耗。OBC 中的 DC/DC 級(jí)可以是諧振或“軟”開關(guān)轉(zhuǎn)換器，例如 CLLC 拓?fù)?，具有更高的頻率以實(shí)現(xiàn)小磁性和低損耗，通常為 300kHz。例如，在 6.6kW 和 400V 直流鏈路并使用 18 毫歐 SiC FETS 時(shí)，根據(jù) FET-Jet Calculator?，TO-247-4L 和 D2PAK-7L 的損耗分別為 4.1W 和 4.2W，而SMT 封裝的較低電感使其成為使用更高頻率的自然選擇。

從 TO-247-4L 類型轉(zhuǎn)向 SMT D2PAK-7L 封裝是一種自然的發(fā)展，當(dāng)考慮總系統(tǒng)成本時(shí)溫升或系統(tǒng)效率差異很小或沒有差異時(shí)，尤其是考慮到并聯(lián)的電氣和機(jī)械便利性時(shí)。 SMT 器件及其一流的品質(zhì)因數(shù) (FoM) 和簡(jiǎn)單的柵極驅(qū)動(dòng)，SiC FET 正逐漸成為 EV 車載充電器應(yīng)用的理想開關(guān)選擇。

結(jié)論

憑借標(biāo)準(zhǔn)的 1700V 額定值和比 IGBT 更高的效率，SiC FET 正變得比超級(jí)結(jié) MOSFET 更具吸引力，在 EV 車載充電的所有階段穩(wěn)固地成為競(jìng)爭(zhēng)者。雖然 TO-247-4L 封裝中的 SiC FET 具有出色的熱性能，但缺點(diǎn)是它們需要機(jī)械固定和通孔焊接。因此，當(dāng)考慮總系統(tǒng)成本且對(duì)溫升或效率的影響最小或沒有影響時(shí)，遷移到 UnitedSiC D2PAK-7L 封裝等 SMT 器件是一種自然演變。這些 SMT SiC FET 不僅為設(shè)計(jì)人員顯著節(jié)省電路組裝成本，而且還提供一流的 FoM 和簡(jiǎn)單的柵極驅(qū)動(dòng)解決方案，使其成為 EV 車載充電器的理想開關(guān)選擇。

作者

Mike Zhu 是 UnitedSiC Inc（現(xiàn)為 Qorvo）的應(yīng)用工程師。他于 2013 年獲得重慶大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位，2015 年獲得俄亥俄州立大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程碩士學(xué)位，此后加入 UnitedSiC。他在SiC和GaN器件評(píng)估、高頻、高效率和高功率密度電力電子設(shè)計(jì)以及WBG器件的EMI解決方案方面有9年的研究經(jīng)驗(yàn)。

審核編輯黃宇