使用最新的SiC FET封裝選項提高車載充電器性能

在電動汽車中，功率轉(zhuǎn)換效率是解決續(xù)航里程和充電時間問題的關(guān)鍵。為了最大限度地提高效率，交流輸出牽引逆變器很少在 10 kHz 以上運行，因為在較高頻率下無源組件尺寸幾乎沒有增益。然而，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。為避免隨之而來的動態(tài)損耗增加和效率降低，通常使用 MOSFET，而使用碳化硅的寬帶隙 (WBG) 器件仍可提供更低的損耗。

SiC WBG 技術(shù)中表現(xiàn)最好的是 SiC FET，它由 UnitedSiC 開創(chuàng)，現(xiàn)在是 Qorvo 的一部分。該器件是 SiC JFET 和硅 MOSFET 的常關(guān)共源共柵組合，在所有競爭技術(shù)中具有最佳品質(zhì)因數(shù) (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(shù)相比，SiC FET 的品質(zhì)因數(shù) RdsA

由于其快速開關(guān)和低損耗體二極管，SiC FET 在硬開關(guān)拓撲中表現(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，它使用額定電壓較低的晶體管，即使在 800V 總線應(yīng)用中也是如此，并且還受益于使用具有超低導通損耗的 SiC FET。

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

SiC FET 封裝選項

由于可用空間，需要權(quán)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(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 SiC FET 器件和不同陶瓷隔離器材料實現(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 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(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 以促進結(jié)溫估計。

在每個應(yīng)用中最重要的是結(jié)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(jié)溫而增加，因此這兩種效應(yīng)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(guān)損耗與負載電流有著復雜的關(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 總線的示例開關(guān)損耗 E SW (μJ) 與電流的關(guān)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(yù)測特定電源轉(zhuǎn)換電路的整體效率非常復雜。但是，Qorvo (UnitedSiC) 在線、免費使用的 FET-Jet 計算器支持 SiC FET，該計算器會自動考慮所有參數(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(guān)”連續(xù)導通模式下運行?？焱仍O(shè)備以 75 kHz 切換，慢腿設(shè)備以線路頻率切換。兩條快腿與每個位置的單個設(shè)備交錯，慢腿也有每個位置的單個設(shè)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(guān)的計算損耗和峰值結(jié)溫，適用于一系列 SiC FET 器件。當所有因素及其相互作用相結(jié)合時，兩種封裝類型之間實現(xiàn)的半導體效率差異很小。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 級中每個快速支路開關(guān)的損耗和峰值結(jié)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(guān)拓撲的一個示例，這是限制組件應(yīng)力所必需的。軟開關(guān)電路的一個示例是 CLLC 拓撲，通常用于 EV OBC DC/DC 轉(zhuǎn)換級（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(guān)損耗和峰值結(jié)溫

表面貼裝開關(guān)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(guān)頻率和 800 VDC 總線下進行了評估。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 計算器的結(jié)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(jié)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(guān)損耗和峰值結(jié)溫

結(jié)論

分析表明，在多千瓦級別的 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 帶來的廣泛其他優(yōu)勢，例如一流的 FOM、易于柵極驅(qū)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：湯梓紅