功率轉換效率對于解決電動汽車續(xù)航里程和充電時間的擔憂至關重要。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，但它們存在動態(tài)損耗增加和效率降低的風險。MOSFET，尤其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問題。

UnitedSiC 現已成為 Qorvo 的一部分，率先推出了 SiC FET，這是一種常關型、級聯組合，由 SiC JFET 和硅 MOSFET 組成。作為 SiC 寬帶隙技術中的佼佼者，它在所有競爭技術中具有最佳的品質因數 （FoM）。FOM RdsA 是特定電壓等級器件的導通電阻和芯片面積的乘積，就是一個例子，圖 1 顯示了 SiC FET 的比較情況。

圖 1：與競爭技術相比，SiC FET 的品質因數 RdsA

由于其快速開關和低損耗體二極管，SiC FET 在硬開關拓撲中表現出色，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，它使用額定電壓較低的晶體管，即使用于 800V 總線應用，也受益于使用具有超低導通損耗的 SiC FET。

在 OBC DC/DC 轉換階段，SiC FET 也是理想的選擇。該級通常是軟開關 LLC 或 CLLC 拓撲，后者非常適合雙向功率轉換。

SiC FET 封裝選項

SiC FET 表現出卓越的性能，特別是在高壓和多千瓦應用中，即使效率達到 99.5% 或更高，器件功耗仍然可以超過 10 W。為了保持可接受的結溫升，TO247 封裝很受歡迎，具有它的結殼熱阻非常低。在 SiC FET 中，銀燒結芯片貼裝和先進的晶圓減薄技術用于進一步提高熱性能。Qorvo 的大多數 SiC FET 都采用這種樣式，通常使用第四根引線作為開爾文連接到 JFET 源極，指定為 T0247-4L，以避免負載電流和柵極驅動環(huán)路之間的相互作用。在 OBC 應用中，TO247 器件將被機械夾在帶有陶瓷絕緣體和導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械組裝、多個部件以及導熱膏的雜亂應用。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

現代替代方案是使用表面貼裝部件，現在 Qorvo 提供 D2PAK-7L 格式的 SiC FET。這些器件具有低導通電阻，可與 TO247 類型相媲美，但可以機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）。無需手動操作或絕緣墊和粘貼。D2PAK-7L 封裝中的五個并聯源極引線與 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，需要權衡的是導熱墊尺寸——TO247 為 176 mm 2，而 D2PAK-7L 為 43 mm 2。這會影響從結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 SiC FET 器件和不同陶瓷隔離器材料實現的結到外殼、結到冷卻流體以及外殼到流體的熱阻數據。表 3 顯示了具有兩種不同 IMS 電介質厚度和相關熱導率的 D2PAK-7L SiC FET 從結到外殼、結到流體以及外殼到流體的熱阻數據。

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 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 SiC FET 的不同 IMS 電介質厚度的比較

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 以促進結溫估計。

在每個應用中最重要的是結溫升高和效率，受傳導和動態(tài)損耗的影響。然而，損耗隨著結溫而增加，因此這兩種效應是相互依賴的。即便如此，對于給定的標稱導通電阻，兩種封裝中器件的開關損耗與負載電流有著復雜的關系，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 總線的示例開關損耗 E SW （μJ） 與電流的關系，器件具有相同的 25°C 導通電阻

Qorvo FET-Jet 計算器為您完成工作

由于存在如此多的相互依賴性和變量，因此預測特定電源轉換電路的整體效率非常復雜。然而，SiC FET 由 Qorvo （UnitedSiC） 在線、免費使用的 FET-Jet 計算器支持，該計算器自動考慮所有參數，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。一個例子可以說明計算器的功率：圖 3 是圖騰柱 PFC 級的輪廓電路，由 230 VAC 供電，額定功率為 6.6 kW，400 VDC 總線在“硬開關”連續(xù)導通模式下運行。快腿設備以 75 kHz 切換，慢腿設備以線路頻率切換。兩條快腿與每個位置的單個設備交錯，慢腿也有每個位置的單個設備。

圖 3：概述交錯圖騰柱 PFC 拓撲

表 4 顯示了來自 FET-Jet Calculator 的每個快速支路開關的計算損耗和峰值結溫，適用于一系列 SiC FET 器件。當所有因素及其相互作用相結合時，兩種封裝類型之間實現的半導體效率差異很小。SMD 封裝的峰值結溫更高但仍然合理，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 級中每個快速支路開關的損耗和峰值結溫

軟交換拓撲也有同樣的好處

圖騰柱 PFC 級是在連續(xù)導通模式下運行時硬開關拓撲的一個示例，這是限制組件應力所必需的。軟開關電路的一個示例是 CLLC 拓撲，通常用于 EV OBC DC/DC 轉換級（圖 4）。

圖 4：CLLC DC/DC 轉換器的外形

在此電路中，額定功率為 6.6 kW，開關頻率為 300 kHz，總線為 400-VDC，熱假設與 PFC 示例相同，FET-Jet 計算器得出表 5 的結果。這些結果表明，在其他可比的 SMD 和通孔器件之間的器件效率，并且峰值結溫僅相差幾度。在實踐中，SiC FET 還可以在系統(tǒng)的其他地方節(jié)省效率——例如，在柵極驅動電路中，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 器件的開關損耗和峰值結溫

表面貼裝開關可用于 22 kW Vienna 整流器級

作為最后一個示例，Vienna 整流器如圖 5 所示。該電路在 22 kW、40 kHz 開關頻率和 800 VDC 總線下進行了評估。同樣，假設與前面的示例一樣，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 計算器的結果，在這個功率水平下，TO247-4L 封裝的更好的熱性能是顯而易見的。然而，如果使用具有低導通電阻的器件，D2PAK-7L 封裝仍然是完全可行的，性能最好的封裝將峰值結溫限制在 100?C 以下。

圖 5：Vienna 整流器 PFC 和整流級概述

表 6：TO247-4L 和 D2PAK-7L 封裝中的 SiC FET 器件在圖 5 示例 Vienna 整流器級中的開關損耗和峰值結溫

結論

分析表明，在多千瓦級別的 EV 車載充電器的所有轉換階段，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)省組裝和相關硬件成本，以及 SiC FET 帶來的廣泛其他優(yōu)勢，例如一流的 FOM、易于柵極驅動、超低損耗體二極管和從高雪崩和短路額定值固有的堅固性。

審核編輯：郭婷