新型SBD和MOSFET封裝大幅縮減尺寸，提升功率密度

幾乎在任何應用中，尺寸如同效率一樣重要。例如，在企業(yè)數(shù)據(jù)中心中，很大一部分前期成本來自機房租用，而且電費占據(jù)大部分運營成本。在各種工業(yè)電源和電機驅(qū)動應用中，需要在尺寸、重量、效率和成本之間仔細權(quán)衡才能取得成功。

事實上，提高功率密度的壓力越來越大。使用 10 kW/機架的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心已不足以滿足高性能計算、人工智能和機器學習等終端應用的要求i。

圖 1：與 TO-263-2（左）相比，QFN 8 × 8（右）的面積減少 60%，高度減少 80%。

工業(yè)應用也呈現(xiàn)類似趨勢，對更小尺寸、更輕重量和更低冷卻要求的需求日益增加，這就要求更高的效率和功率密度。

與硅相比，寬禁帶半導體技術(shù)，如 Wolfspeed 的碳化硅（SiC）MOSFET 和肖特基勢壘二極管（SBD）可為電源設計人員帶來諸多優(yōu)勢。更低的傳導和開關(guān)損耗提高了效率，高頻工作有助于減小電感、電容和變壓器等無源元件的尺寸。其高耐結(jié)溫能力支持采用更小的熱管理解決方案。Wolfspeed 產(chǎn)品支持 650 V 或更高的阻斷電壓，有助于減少高壓應用中所需的開關(guān)器件數(shù)量。

最終結(jié)果是以更低的系統(tǒng)級成本提升系統(tǒng)級效率和功率密度。

封裝的重要性

然而，這些優(yōu)勢也為封裝技術(shù)帶來了壓力，封裝技術(shù)需要支持而不是阻礙器件性能。常見的封裝技術(shù)挑戰(zhàn)包括：

控制寄生效應

在不犧牲散熱性能的情況下減小封裝尺寸

為了滿足市場對高功率密度的需求，Wolfspeed 開發(fā)了更小尺寸的全新表貼封裝的分立 SiC 肖特基二極管和 MOSFET。Wolfspeed 現(xiàn)可提供 QFN 8 × 8 封裝的第六代650V 耐壓的SIC肖特基二極管，采用無引線（TOLL）封裝的第三代 SiC MOSFET也可提供樣品，比其他 TO-247-3、TO-247-4 和 TO-263-7 封裝尺寸要小得多。

傳統(tǒng)的通孔封裝（如TO-247）會使一些大批量系統(tǒng)生產(chǎn)商面臨自動化裝配的挑戰(zhàn)。如果電路板上的所有器件都采用表面貼裝（SMD），則只需一個自動化步驟即可完成組裝。這可顯著降低生產(chǎn)成本。

8 × 8 QFN 中的肖特基二極管

與封裝 ID 為“G”的標準 TO-263 2L 相比，封裝 ID 為“Q”的QFN封裝二極管（C6D06065Q、C6D08065Q 和 C6D10065Q）的尺寸縮小了 60%（圖 1）。與 TO-263 2L 或 D2PAK 相比，新款 QFN 8x8 器件的高度降低了 80%?？偟膩碚f，體積的減少使 QFN 非常有利于低高度限制的應用。

Wolfspeed SiC SBD 技術(shù)還能實現(xiàn) 1.27 V（25 ?C 時）和 1.37 V（175 ?C 時）的低正向壓降（VF），從而降低正向?qū)〒p耗。這使得設計人員可以在 Boost PFC 變換器等應用中實現(xiàn)最高的系統(tǒng)級效率。

QFN 封裝具有較低的引線電感，這對于降低系統(tǒng)的開關(guān)損耗和實現(xiàn)高頻開關(guān)而言至關(guān)重要。通過提高開關(guān)頻率，這些器件能夠?qū)崿F(xiàn)更高的功率密度。QFN 封裝還集成有底部冷卻式高效散熱管理（圖 2）。

圖 2：盡管更小的體積使 PFC 升壓拓撲（右）具有高功率密度，但新型 QFN 的底部冷卻可確保實現(xiàn)高效散熱管理。

QFN封裝所有器件都滿足適合于400 V電壓系統(tǒng)的爬電距離要求。這些器件可提供 6 A、8 A 和 10 A 的連續(xù)正向電流（IF）額定值，結(jié)殼熱阻（Rθ, JC）低至 1.4 ?C/W。

TOLL 封裝碳化硅 MOSFET

表貼 TOLL 是一種創(chuàng)新型封裝，業(yè)內(nèi)通常用于高電流、高功率密度應用。Wolfspeed 工業(yè)級650 V TOLL封裝SiC MOSFET尺寸明顯低于其他封裝（圖 3）。標準 TO-263-7L 的尺寸為 151.5 mm2，高度為 4.30 mm，與之相比，TOLL 器件的尺寸為 113 mm2，高度為 2.2 mm。這意味著尺寸減少了近 25%，高度更是減少了 50%。

圖 3：Wolfspeed? 碳化硅 C3M? MOSFET 提供多種封裝選項。右圖為體積顯著縮小的 TOLL 封裝（即將推出）。

Wolfspeed 的 TOLL 封裝更低電感特性讓設計人員可以使用更低的外部柵極驅(qū)動電阻，這不僅可以降低開關(guān)損耗，還有助于避免關(guān)斷期間的峰值電壓過沖。因此，這些器件非常適合高開關(guān)頻率應用，有助于減小磁性元件的尺寸從而提高功率密度。

為了滿足該尺寸封裝的熱管理要求，新的 TOLL 器件采用更大的背面金屬焊盤，有助于降低器件結(jié)溫 （Tjmax）。在熱仿真中，如圖 4 所示，5000 W/m2K 對流冷卻條件下測試了28 W功耗的散熱表現(xiàn)。與 TO-263-7L 的 175 ?C 相比，TOLL 器件可以將 Tjmax 保持在 152 ?C 的較低溫度，因此，采用TOLL封裝的設計只需更少的散熱管理，從而為應用帶來成本、空間和重量方面的優(yōu)勢。

TOLL 器件的最小爬電距離為 3.5 mm（D-S），非常適合約 400VDC 工作電壓。MOSFET PC3M0045065L、PC3M0060065L 和 PC3M0120065L 提供 45 mΩ、60 mΩ 和 120 mΩ 三種 RDS(ON) 選項，額定漏極電流（ID）分別為 50 A、36 A 和 21 A。

圖 4：散熱仿真證實了 TOLL 封裝 MOSFET 具備卓越的散熱能力。

該特性使得這些開關(guān)適合各種應用，包括服務器/電信電源、消費/計算/工業(yè) SMPS、太陽能逆變器、電動機、輕型電動汽車、電池充電器和家用電器。

采用散熱性能更好、體積更小的器件

Wolfspeed 的新型 SMD 功率器件不僅節(jié)省了寶貴的應用空間，而且散熱效率更高，有助于降低生產(chǎn)成本和散熱解決方案成本、提高功率密度。

審核編輯：郭婷