SiC FET封裝選項(xiàng)提高了車載充電器性能

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)間的擔(dān)憂至關(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(guò)在更高頻率下切換而受益于減小的尺寸和成本，但它們存在動(dòng)態(tài)損耗增加和效率降低的風(fēng)險(xiǎn)。MOSFET，尤其是那些使用碳化硅的 MOSFET，可以通過(guò)提供更低的損耗來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

UnitedSiC 現(xiàn)已成為 Qorvo 的一部分，率先推出了 SiC FET，這是一種常關(guān)型、級(jí)聯(lián)組合，由 SiC JFET 和硅 MOSFET 組成。作為 SiC 寬帶隙技術(shù)中的佼佼者，它在所有競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)中具有最佳的品質(zhì)因數(shù) （FoM）。FOM RdsA 是特定電壓等級(jí)器件的導(dǎo)通電阻和芯片面積的乘積，就是一個(gè)例子，圖 1 顯示了 SiC FET 的比較情況。

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

由于其快速開(kāi)關(guān)和低損耗體二極管，SiC FET 在硬開(kāi)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”，具有高效率和雙向能力。 如果不需要反向功率流，Vienna 整流器很常見(jiàn)，它使用額定電壓較低的晶體管，即使用于 800V 總線應(yīng)用，也受益于使用具有超低導(dǎo)通損耗的 SiC FET。

在 OBC DC/DC 轉(zhuǎn)換階段，SiC FET 也是理想的選擇。該級(jí)通常是軟開(kāi)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 表現(xiàn)出卓越的性能，特別是在高壓和多千瓦應(yīng)用中，即使效率達(dá)到 99.5% 或更高，器件功耗仍然可以超過(guò) 10 W。為了保持可接受的結(jié)溫升，TO247 封裝很受歡迎，具有它的結(jié)殼熱阻非常低。在 SiC FET 中，銀燒結(jié)芯片貼裝和先進(jìn)的晶圓減薄技術(shù)用于進(jìn)一步提高熱性能。Qorvo 的大多數(shù) SiC FET 都采用這種樣式，通常使用第四根引線作為開(kāi)爾文連接到 JFET 源極，指定為 T0247-4L，以避免負(fù)載電流和柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)路之間的相互作用。在 OBC 應(yīng)用中，TO247 器件將被機(jī)械夾在帶有陶瓷絕緣體和導(dǎo)熱膏的液冷鋁散熱器上。端接將連接到 PCB 中的通孔，并在引線上形成應(yīng)力消除。雖然這提供了非常好的熱性能，但它涉及用于夾持和焊接的大量機(jī)械組裝、多個(gè)部件以及導(dǎo)熱膏的雜亂應(yīng)用。器件引腳之間的電壓隔離爬電距離和間隙也受到限制。

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，可與 TO247 類型相媲美，但可以機(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(wú)需手動(dòng)操作或絕緣墊和粘貼。D2PAK-7L 封裝中的五個(gè)并聯(lián)源極引線與 TO247 單引線相比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)衡的是導(dǎo)熱墊尺寸——TO247 為 176 mm 2，而 D2PAK-7L 為 43 mm 2。這會(huì)影響從結(jié)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 顯示了使用 TO247-4L 為兩個(gè) SiC FET 器件和不同陶瓷隔離器材料實(shí)現(xiàn)的結(jié)到外殼、結(jié)到冷卻流體以及外殼到流體的熱阻數(shù)據(jù)。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 的替代陶瓷隔離器的比較

表 3：D2PAK-7L 封裝的熱性能與兩個(gè) SiC FET 的不同 IMS 電介質(zhì)厚度的比較

該圖表顯示了最壞情況下 TO247 的 0.6?C/W 和 D2PAK-7L 的 1.2?C/W 在 IMS 上用于 RthCF 以促進(jìn)結(jié)溫估計(jì)。

在每個(gè)應(yīng)用中最重要的是結(jié)溫升高和效率，受傳導(dǎo)和動(dòng)態(tài)損耗的影響。然而，損耗隨著結(jié)溫而增加，因此這兩種效應(yīng)是相互依賴的。即便如此，對(duì)于給定的標(biāo)稱導(dǎo)通電阻，兩種封裝中器件的開(kāi)關(guān)損耗與負(fù)載電流有著復(fù)雜的關(guān)系，如圖 2 所示。

圖 2：使用采用 TO247-4L 和 D2PAK-7L 封裝的 750-V 第 4 代 SiC FET 的 400-V 總線的示例開(kāi)關(guān)損耗 E SW （μJ） 與電流的關(guān)系，器件具有相同的 25°C 導(dǎo)通電阻

Qorvo FET-Jet 計(jì)算器為您完成工作

由于存在如此多的相互依賴性和變量，因此預(yù)測(cè)特定電源轉(zhuǎn)換電路的整體效率非常復(fù)雜。然而，SiC FET 由 Qorvo （UnitedSiC） 在線、免費(fèi)使用的 FET-Jet 計(jì)算器支持，該計(jì)算器自動(dòng)考慮所有參數(shù)，并為用戶提供的各種電源電路輸出效率、溫升和損耗水平- 指定的條件。一個(gè)例子可以說(shuō)明計(jì)算器的功率：圖 3 是圖騰柱 PFC 級(jí)的輪廓電路，由 230 VAC 供電，額定功率為 6.6 kW，400 VDC 總線在“硬開(kāi)關(guān)”連續(xù)導(dǎo)通模式下運(yùn)行?？焱仍O(shè)備以 75 kHz 切換，慢腿設(shè)備以線路頻率切換。兩條快腿與每個(gè)位置的單個(gè)設(shè)備交錯(cuò)，慢腿也有每個(gè)位置的單個(gè)設(shè)備。

圖 3：概述交錯(cuò)圖騰柱 PFC 拓?fù)?/p>

表 4 顯示了來(lái)自 FET-Jet Calculator 的每個(gè)快速支路開(kāi)關(guān)的計(jì)算損耗和峰值結(jié)溫，適用于一系列 SiC FET 器件。當(dāng)所有因素及其相互作用相結(jié)合時(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)溫更高但仍然合理，特別是考慮到 SiC 固有的高溫穩(wěn)健性。

表 4：TO247-4L 和 D2PAK-7L 封裝中的 SiC FET 器件在圖 3 的示例 PFC 級(jí)中每個(gè)快速支路開(kāi)關(guān)的損耗和峰值結(jié)溫

軟交換拓?fù)湟灿型瑯拥暮锰?/p>

圖騰柱 PFC 級(jí)是在連續(xù)導(dǎo)通模式下運(yùn)行時(shí)硬開(kāi)關(guān)拓?fù)涞囊粋€(gè)示例，這是限制組件應(yīng)力所必需的。軟開(kāi)關(guān)電路的一個(gè)示例是 CLLC 拓?fù)?，通常用?EV OBC DC/DC 轉(zhuǎn)換級(jí)（圖 4）。

圖 4：CLLC DC/DC 轉(zhuǎn)換器的外形

在此電路中，額定功率為 6.6 kW，開(kāi)關(guān)頻率為 300 kHz，總線為 400-VDC，熱假設(shè)與 PFC 示例相同，F(xiàn)ET-Jet 計(jì)算器得出表 5 的結(jié)果。這些結(jié)果表明，在其他可比的 SMD 和通孔器件之間的器件效率，并且峰值結(jié)溫僅相差幾度。在實(shí)踐中，SiC FET 還可以在系統(tǒng)的其他地方節(jié)省效率——例如，在柵極驅(qū)動(dòng)電路中，由于總柵極電荷和所需的小電壓擺幅，以及在任何緩沖器中，與所需的那些相比，它的耗散非常少對(duì)于較大的 Si MOSFET 和 IGBT。

表 5：圖 4 示例 CLLC 階段中 TO247-4L 和 D2PAK-7L 封裝的 SiC FET 器件的開(kāi)關(guān)損耗和峰值結(jié)溫

表面貼裝開(kāi)關(guān)可用于 22 kW Vienna 整流器級(jí)

作為最后一個(gè)示例，Vienna 整流器如圖 5 所示。該電路在 22 kW、40 kHz 開(kāi)關(guān)頻率和 800 VDC 總線下進(jìn)行了評(píng)估。同樣，假設(shè)與前面的示例一樣，外殼到環(huán)境的熱阻相同。750-V SiC FET 可與 1，200-V SiC 二極管（UJ3D1250K2 類型）一起使用。表 6 顯示了 FET-Jet 計(jì)算器的結(jié)果，在這個(gè)功率水平下，TO247-4L 封裝的更好的熱性能是顯而易見(jiàn)的。然而，如果使用具有低導(dǎo)通電阻的器件，D2PAK-7L 封裝仍然是完全可行的，性能最好的封裝將峰值結(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：TO247-4L 和 D2PAK-7L 封裝中的 SiC FET 器件在圖 5 示例 Vienna 整流器級(jí)中的開(kāi)關(guān)損耗和峰值結(jié)溫

結(jié)論

分析表明，在多千瓦級(jí)別的 EV 車載充電器的所有轉(zhuǎn)換階段，與 TO247-4L 封裝相比，Qorvo 的 SiC FET D2PAK-7L 器件具有出色的性能，尤其是導(dǎo)通電阻最低的變體。使用表面貼裝器件可顯著節(jié)省組裝和相關(guān)硬件成本，以及 SiC FET 帶來(lái)的廣泛其他優(yōu)勢(shì)，例如一流的 FOM、易于柵極驅(qū)動(dòng)、超低損耗體二極管和從高雪崩和短路額定值固有的堅(jiān)固性。

審核編輯：郭婷