SiC FET 封装选项提高了车载充电器性能

2022-06-24

SiC FET 封装选项提高了车载充电器性能

功率转换效率对于解决电动汽车续航里程和充电时间的担忧至关重要。具有直流输出和大型磁性元件的车载充电器 (OBC) 可以通过在更高频率下切换而受益于减小的尺寸和成本，但它们存在动态损耗增加和效率降低的风险。MOSFET，尤其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，这是一种常关型、级联组合，由 SiC JFET 和硅 MOSFET 组成。作为 SiC 宽带隙技术中的佼佼者，它在所有竞争技术中具有最佳的品质因数 (FoM)。FOM RdsA 是特定电压等级器件的导通电阻和芯片面积的乘积，就是一个例子，图 1 显示了 SiC FET 的比较情况。

图 1：与竞争技术相比，SiC FET 的品质因数 RdsA

由于其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”，具有高效率和双向能力. 如果不需要反向功率流，Vienna 整流器很常见，它使用额定电压较低的晶体管，即使用于 800V 总线应用，也受益于使用具有超低导通损耗的 SiC FET。

在 OBC DC/DC 转换阶段，SiC FET 也是理想的选择。该级通常是软开关 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 表现出卓越的性能，特别是在高压和多千瓦应用中，即使效率达到 99.5% 或更高，器件功耗仍然可以超过 10 W。为了保持可接受的结温升，TO247 封装很受欢迎，具有它的结壳热阻非常低。在 SiC FET 中，银烧结芯片贴装和先进的晶圆减薄技术用于进一步提高热性能。Qorvo 的大多数 SiC FET 都采用这种样式，通常使用第四根引线作为开尔文连接到 JFET 源极，指定为 T0247-4L，以避免负载电流和栅极驱动环路之间的相互作用。在 OBC 应用中，TO247 器件将被机械夹在带有陶瓷绝缘体和导热膏的液冷铝散热器上。端接将连接到 PCB 中的通孔，并在引线上形成应力消除。虽然这提供了非常好的热性能，但它涉及用于夹持和焊接的大量机械组装、多个部件以及导热膏的杂乱应用。器件引脚之间的电压隔离爬电距离和间隙也受到限制。

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，可与 TO247 类型相媲美，但可以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)。无需手动操作或绝缘垫和粘贴。D2PAK-7L 封装中的五个并联源极引线与 TO247 单引线相比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，需要权衡的是导热垫尺寸——TO247 为 176 mm 2，而 D2PAK-7L 为 43 mm 2。这会影响从结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 显示了使用 TO247-4L 为两个 SiC FET 器件和不同陶瓷隔离器材料实现的结到外壳、结到冷却流体以及外壳到流体的热阻数据。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 的替代陶瓷隔离器的比较

表 3：D2PAK-7L 封装的热性能与两个 SiC FET 的不同 IMS 电介质厚度的比较

该图表显示了最坏情况下 TO247 的 0.6˚C/W 和 D2PAK-7L 的 1.2˚C/W 在 IMS 上用于 RthCF 以促进结温估计。

在每个应用中最重要的是结温升高和效率，受传导和动态损耗的影响。然而，损耗随着结温而增加，因此这两种效应是相互依赖的。即便如此，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有着复杂的关系，如图 2 所示。

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

Qorvo FET-Jet 计算器为您完成工作

由于存在如此多的相互依赖性和变量，因此预测特定电源转换电路的整体效率非常复杂。然而，SiC FET 由 Qorvo (UnitedSiC) 在线、免费使用的 FET-Jet 计算器支持，该计算器自动考虑所有参数，并为用户提供的各种电源电路输出效率、温升和损耗水平- 指定的条件。一个例子可以说明计算器的功率：图 3 是图腾柱 PFC 级的轮廓电路，由 230 VAC 供电，额定功率为 6.6 kW，400 VDC 总线在“硬开关”连续导通模式下运行。快腿设备以 75 kHz 切换，慢腿设备以线路频率切换。两条快腿与每个位置的单个设备交错，慢腿也有每个位置的单个设备。

图 3：概述交错图腾柱 PFC 拓扑

表 4 显示了来自 FET-Jet Calculator 的每个快速支路开关的计算损耗和峰值结温，适用于一系列 SiC FET 器件。当所有因素及其相互作用相结合时，两种封装类型之间实现的半导体效率差异很小。SMD 封装的峰值结温更高但仍然合理，特别是考虑到 SiC 固有的高温稳健性。

表 4：TO247-4L 和 D2PAK-7L 封装中的 SiC FET 器件在图 3 的示例 PFC 级中每个快速支路开关的损耗和峰值结温

软交换拓扑也有同样的好处

图腾柱 PFC 级是在连续导通模式下运行时硬开关拓扑的一个示例，这是限制组件应力所必需的。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 转换器的外形

在此电路中，额定功率为 6.6 kW，开关频率为 300 kHz，总线为 400-VDC，热假设与 PFC 示例相同，FET-Jet 计算器得出表 5 的结果。这些结果表明，在其他可比的 SMD 和通孔器件之间的器件效率，并且峰值结温仅相差几度。在实践中，SiC FET 还可以在系统的其他地方节省效率——例如，在栅极驱动电路中，由于所需的总栅极电荷和小电压摆幅，以及在任何缓冲器中，与所需的那些相比，它的耗散非常少对于较大的 Si MOSFET 和 IGBT。

表 5：图 4 示例 CLLC 阶段中 TO247-4L 和 D2PAK-7L 封装的 SiC FET 器件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

作为最后一个示例，Vienna 整流器如图 5 所示。该电路在 22 kW、40 kHz 开关频率和 800 VDC 总线下进行了评估。同样，假设与前面的示例一样，外壳到环境的热阻相同。750-V SiC FET 可与 1,200-V SiC 二极管（UJ3D1250K2 类型）一起使用。表 6 显示了 FET-Jet 计算器的结果，在这个功率水平下，TO247-4L 封装的更好的热性能是显而易见的。然而，如果使用具有低导通电阻的器件，D2PAK-7L 封装仍然是完全可行的，性能最好的封装将峰值结温限制在 100˚C 以下。

图 5：Vienna 整流器 PFC 和整流级概述

表 6：TO247-4L 和 D2PAK-7L 封装中的 SiC FET 器件在图 5 示例 Vienna 整流器级中的开关损耗和峰值结温

结论

分析表明，在多千瓦级别的 EV 车载充电器的所有转换阶段，与 TO247-4L 封装相比，Qorvo 的 SiC FET D2PAK-7L 器件具有出色的性能，尤其是导通电阻最低的变体。使用表面贴装器件可显着节省组装和相关硬件成本，以及 SiC FET 带来的广泛其他优势，例如一流的 FOM、易于栅极驱动、超低损耗体二极管和从高雪崩和短路额定值固有的坚固性。