SiC FET 封装选项可提高车载充电器性能

功率转换效率对于解决电动汽车续航里程和充电时间的问题至关重要。具有直流输出和大型磁性元件的车载充电器 (OBC) 可以通过以更高的频率进行切换，从而受益于减小尺寸和成本，但它们存在动态损耗增加和效率降低的风险。MOSFET，特别是那些使用碳化硅的MOSFET，可以通过提供更低的损耗来解决这个问题。

UnitedSiC（现已成为 Qorvo 的一部分）率先推出了 SiC FET，这是一种 SiC JFET 和硅 MOSFET 的常断共源共栅组合。它是 SiC 宽带隙技术中的佼佼者，在所有竞争技术中拥有的品质因数 (FoM)。FOM RdsA 是一个示例，它是特定电压等级器件的导通电阻和芯片面积的乘积，图 1 显示了 SiC FET 的比较情况。

图 1：SiC FET 与竞争技术相比的 RdsA 品质因数

由于具有快速开关和低损耗体二极管，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“有源前端”），可实现高效率和双向功能。如果不需要反向功率流，Vienna 整流器很常见，即使对于 800V 总线应用，它也使用额定电压较低的晶体管，并且还受益于使用具有超低传导损耗的 SiC FET。

在 OBC DC/DC 转换级中，SiC FET 也是理想的选择。该级通常采用软开关 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 显示出其卓越的性能，特别是在高电压和数千瓦应用中，即使效率达到 99.5% 或更高，器件功耗仍可能超过 10 W。为了保持可接受的结温升，TO247 封装很受欢迎，其结壳热阻非常低。在 SiC FET 中，采用银烧结芯片贴装和先进的晶圆减薄技术来进一步提高热性能。Qorvo 的大多数 SiC FET 均采用这种类型，通常采用第四根引线作为与 JFET 源极的开尔文连接（指定为 T0247-4L），以避免负载电流与栅极驱动环路之间的相互作用。在 OBC 应用中，TO247 器件将通过机械方式夹紧到具有陶瓷绝缘体和导热膏的液冷铝散热器上。端接将通过 PCB 上的通孔进行，并在引线上形成应力消除装置。虽然这提供了非常好的热性能，但它涉及用于夹紧和焊接的大量机械组装、多个零件以及导热膏的混乱应用。电压隔离爬电距离和器件引脚之间的间隙也受到限制。

表面贴装封装节省成本

现代替代方案是使用表面贴装部件，现在 Qorvo 提供 D2PAK-7L 格式的 SiC FET。这些器件具有低导通电阻，与 TO247 类型相当，但可以通过机器放置和回流焊接到连接到液体冷却系统的绝缘金属基板 (IMS)。无需人工操作或绝缘垫和粘贴。D2PAK-7L 封装中的五个并行源极引线比 TO247 单引线具有更低的组合电阻和电感，并且漏极连接的爬电距离和间隙要大得多。

由于可用空间，需要权衡散热垫尺寸 — TO247 为176 mm 2 ，而D2PAK-7L 为43 mm 2 。这会影响从结点到冷却液的整体热阻。表 1 比较了两种封装类型的热芯片焊盘尺寸、引线电感以及爬电距离和间隙。表 2 显示了两个 SiC FET 器件和不同陶瓷隔离器材料的 TO247-4L 从结到外壳、结到冷却液以及外壳到流体的热阻值。表 3 显示了具有两种不同 IMS 电介质厚度和相关热导率的 D2PAK-7L SiC FET 从结到外壳、结到流体以及外壳到流体的热阻数据。

表 1：D2PAK-7L 和 TO247-4L 封装物理特性比较

表 2：TO247-4L 封装的热性能与两个 SiC FET 的替代陶瓷隔离器相比

表 3：两种 SiC FET 的 D2PAK-7L 封装热性能与不同 IMS 电介质厚度的比较

该图表显示了 IMS 上 RthCF 的坏情况 TO247 为 0.6°C/W，D2PAK-7L 为 1.2°C/W，以方便结温估算。

在每个应用中重要的是结温升和效率，受传导和动态损耗的影响。然而，损耗随着结温的增加而增加，因此这两种效应是相互依赖的。尽管如此，对于给定的标称导通电阻，两种封装中器件的开关损耗与负载电流之间存在复杂的关系，如图 2 所示。

图 2：对于具有相同 25°C 导通电阻的器件，使用采用 TO247-4L 和 D2PAK-7L 封装的 750V 第 4 代 SiC FET 的 400V 总线，开关损耗 E SW (μJ) 与电流的关系示例

Qorvo FET-Jet 计算器为您代劳

由于存在如此多的相互依赖性和变量，预测特定电源转换电路的整体效率非常复杂。然而，Qorvo (UnitedSiC) 在线 FET-Jet 计算器支持 SiC FET，该计算器会自动考虑所有参数，并输出用户使用的各种电源电路的效率、温升和损耗水平- 指定条件。一个例子可以说明计算器的功能：图 3 是由 230 VAC 供电的图腾柱 PFC 级的轮廓电路，额定功率为 6.6 kW，400 VDC 总线在“硬开关”连续传导模式下运行。快腿设备以 75 kHz 开关，慢腿设备以线路频率开关。两条快腿在每个位置上交错有一个设备，而慢腿在每个位置上也有一个设备。

图 3：交错图腾柱 PFC 拓扑结构示意图

表 4 显示了 FET-Jet 计算器针对一系列 SiC FET 器件计算出的每个快速桥臂开关的损耗和峰值结温。当所有因素及其相互作用结合起来时，两种封装类型之间实现的半导体效率差异很小。SMD 封装的峰值结温较高，但仍然合理，特别是考虑到 SiC 固有的高温鲁棒性。

表 4：采用 TO247-4L 和 D2PAK-7L 封装的 SiC FET 器件，图 3 示例 PFC 级中每个快速桥臂开关的损耗和峰值结温

软交换拓扑具有相同的优势

图腾柱 PFC 级是在连续导通模式下运行时的硬开关拓扑的一个示例，这对于限制组件应力是必要的。软开关电路的一个示例是 CLLC 拓扑，通常用于 EV OBC DC/DC 转换级（图 4）。

图 4：CLLC DC/DC 转换器的轮廓

在该电路中，额定功率为 6.6 kW，使用 400 VDC 总线以 300 kHz 进行开关，并采用与 PFC 示例相同的热假设，FET-Jet 计算器得出表 5 的结果。这些结果表明，在器件效率介于同类 SMD 和通孔器件之间，并且峰值结温仅存在几度差异。实际上，SiC FET 还可以在系统的其他地方提供效率节省，例如，在栅极驱动电路中，由于总栅极电荷低且所需的电压摆幅小，以及在任何缓冲器中，与所需的相比，其耗散非常小适用于较大的 Si MOSFET 和 IGBT。

表 5：TO247-4L 和 D2PAK-7L 封装中 SiC FET 器件的图 4 示例 CLLC 级中的开关损耗和峰值结温

表面贴装开关可用于 22 kW Vienna 整流器级

作为一个示例，Vienna 整流器如图 5 所示。该电路在 22 kW、40 kHz 开关和 800 VDC 总线下进行评估。同样，假设外壳到环境的热阻与前面的示例相同。750V SiC FET 可与 UJ3D1250K2 型 1,200V SiC 二极管一起使用。表 6 显示了 FET-Jet 计算器结果，在此功率水平下，TO247-4L 封装的更好热性能是显而易见的。然而，如果使用低导通电阻的器件，D2PAK-7L 封装仍然完全可行，性能将峰值结温限制在 100°C 以下。

图 5：Vienna 整流器 PFC 和整流级概述

表 6：采用 TO247-4L 和 D2PAK-7L 封装的 SiC FET 器件，图 5 所示维也纳整流器级示例中的开关损耗和峰值结温