OBC 充電器中的 SiC FET

小封裝帶來好東西：OBC 充電器中的 SiC FET

（來源：Qorvo）

介紹

碳化硅 (SiC) MOSFET 正在穩(wěn)固地確立自己作為 22kW 及更高功率級別電動汽車 (EV) 車載充電器所有階段半導體開關的競爭者地位。UnitedSiC（現(xiàn)為 Qorvo）SiC FET 具有獨特的 Si MOSFET 和 SiC JFET 級聯(lián)結構，效率優(yōu)于 IGBT，并且比超結 MOSFET 更具吸引力。不過，這不僅僅是關于整個轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的損耗。成本、尺寸和重量也是對 EV 所有者重要的重要因素。

設計人員可以為 EV 車載充電器中的半導體功率開關選擇不同的封裝樣式，包括在使用 SiC FET 時可以達到數(shù)十 kW 的表面貼裝變體。在此博客中，我們將查看一些 SiC FET 性能數(shù)據(jù)。

OBC 充電器中的 SiC FET

在 EV 的典型功率水平下，即使效率超過 98%，車載充電器仍然需要在炎熱環(huán)境中從一個小外殼中耗散數(shù)百瓦特。因此，需要散熱，通常采用液體冷卻。一個主要的設計考慮是開關如何連接到這種散熱布置以實現(xiàn)最佳熱傳遞、產(chǎn)量可靠性和低組裝成本。在 TO-247-4L 封裝中發(fā)現(xiàn)SiC FET很常見，該封裝提供出色的熱性能，使用UnitedSiC從結點到冷卻液的熱性能約為 1.0°C/W（現(xiàn)為 Qorvo）的晶圓減薄技術，采用銀燒結芯片和陶瓷隔離墊。然而，TO-247-4L 封裝的缺點是需要機械固定和通孔焊接。它還具有顯著的封裝電感，并且其引腳之間的爬電距離和間隙有限。此外，封裝在 PCB 焊盤之間的距離更小，除非以復雜且昂貴的方式“接合”引線。

表面貼裝替代方案似乎很有吸引力，但在 22kW 級別？實際上，是的，它可以與UnitedSiC（現(xiàn)為 Qorvo）D2PAK-7L設備一起使用，對性能影響很小或沒有影響，具體取決于所考慮的電源轉(zhuǎn)換階段。查看下表 1中封裝樣式之間的主要差異，D2PAK-7L 勝出，芯片焊盤尺寸除外，這導致 18 毫歐姆鍵合器件的整體結至冷卻液熱阻約為 1.3°C/W絕緣金屬基板，比 TO-247-4L 封裝高約 30%。

表 1：D2PAK-7L 和 TO-247-4L 之間的比較（來源：Qorvo）

較高熱阻的實際效果是，對于給定的耗散功率，結溫度較高，所有情況都相同，但由于SMT器件節(jié)省了大量的組裝成本，可能可以使用較低電阻的部件，從而降低溫度。然而，如果僅使用一個SMT器件達到熱極限，則Tj變得過高，并聯(lián)SMT器件是可行的解決方案。如果使用兩個并聯(lián)的SMT器件來替換一個SMT器件，則與僅使用一個SMT設備相比，兩個并聯(lián)SMT器件中的每一個應具有兩倍的導通電阻。在這種情況下，每個部件中的電流減半，但每個部件的導通電阻加倍，因此耗散是單個部件的一半。與僅使用一個具有一半導通電阻的SMT器件相比，兩個并聯(lián)SMT器件的總功耗將略低。在熱方面，每個器件都會更冷，因為對于相同的熱管理（從結到環(huán)境或冷卻劑的熱阻），每個并聯(lián)器件只消耗單個SMT器件一半的損耗。因此，理論上，每個并聯(lián)SMT器件從環(huán)境或冷卻劑到結的溫度升高也應該是單個SMT器件的一半。除此之外，D2PAK-7L的較低封裝電感可能允許更快的開關邊緣速率，甚至更低的動態(tài)損耗。

使用 UnitedSiC 在線 FET-Jet Calculator ?查看典型車載充電器不同階段的封裝性能比較示例非常有用?！皥D騰柱 PFC”級很常見，一個額定功率為 6.6kW、400V 輸出、75kHz、連續(xù)導通模式 (CCM) 的示例使用一系列 TO-247-4L 和 D2PAK-7L SiC FET 進行了評估，以實現(xiàn)“快速”開關'腿，散熱器/流體溫度為 80°C。兩種封裝之間的結溫差范圍為 3°C 至 8°C，具體取決于導通電阻的等級。

在更高功率和三相交流電源下，“維也納整流器”可能與 800V 直流鏈路一起使用，例如 40kHz（圖 1）?？梢允褂?50V SiC FET，如果再次比較 18 毫歐 TO-247-4L 和 D2PAK-7L 部件，結溫差異僅為 3°C，“半導體”效率差異為 0.1%。此應用中的導通電阻較高的部件不可避免地會顯示出較大的差異，單個設備的溫升無法正常工作，但在高價值產(chǎn)品中為 22kW，較低電阻部件的成本對于獲得的好處而言并不是很大的開銷。

圖 1：該圖展示了 Vienna 整流器前端。（來源：Qorvo）

D2PAK-7L 可有效替代 DC/DC 級中的 TO-247-4L

剛剛考慮的圖騰柱 PFC 和 Vienna 整流器級是“硬”開關，頻率保持相對較低以最大限度地減少動態(tài)損耗。OBC 中的 DC/DC 級可以是諧振或“軟”開關轉(zhuǎn)換器，例如 CLLC 拓撲，具有更高的頻率以實現(xiàn)小磁性和低損耗，通常為 300kHz。例如，在 6.6kW 和 400V 直流鏈路并使用 18 毫歐 SiC FETS 時，根據(jù) FET-Jet Calculator?，TO-247-4L 和 D2PAK-7L 的損耗分別為 4.1W 和 4.2W，而SMT 封裝的較低電感使其成為使用更高頻率的自然選擇。

從 TO-247-4L 類型轉(zhuǎn)向 SMT D2PAK-7L 封裝是一種自然的發(fā)展，當考慮總系統(tǒng)成本時溫升或系統(tǒng)效率差異很小或沒有差異時，尤其是考慮到并聯(lián)的電氣和機械便利性時。 SMT 器件及其一流的品質(zhì)因數(shù) (FoM) 和簡單的柵極驅(qū)動，SiC FET 正逐漸成為 EV 車載充電器應用的理想開關選擇。

結論

憑借標準的 1700V 額定值和比 IGBT 更高的效率，SiC FET 正變得比超級結 MOSFET 更具吸引力，在 EV 車載充電的所有階段穩(wěn)固地成為競爭者。雖然 TO-247-4L 封裝中的 SiC FET 具有出色的熱性能，但缺點是它們需要機械固定和通孔焊接。因此，當考慮總系統(tǒng)成本且對溫升或效率的影響最小或沒有影響時，遷移到 UnitedSiC D2PAK-7L 封裝等 SMT 器件是一種自然演變。這些 SMT SiC FET 不僅為設計人員顯著節(jié)省電路組裝成本，而且還提供一流的 FoM 和簡單的柵極驅(qū)動解決方案，使其成為 EV 車載充電器的理想開關選擇。

作者

Mike Zhu 是 UnitedSiC Inc（現(xiàn)為 Qorvo）的應用工程師。他于 2013 年獲得重慶大學電氣工程學士學位，2015 年獲得俄亥俄州立大學電氣與計算機工程碩士學位，此后加入 UnitedSiC。他在SiC和GaN器件評估、高頻、高效率和高功率密度電力電子設計以及WBG器件的EMI解決方案方面有9年的研究經(jīng)驗。

審核編輯黃宇