OBC充電器中的SiC FET封裝小巧，功能強大

EV 車(chē)載充電器和表貼器件中的半導體電源開(kāi)關(guān)在使用 SiC FET 時(shí)，可實(shí)現高達數萬(wàn)瓦特的功率。我們將了解一些性能指標。

引言

在功率水平為 22kW 及以上的所有級別電動(dòng)汽車(chē) (EV) 車(chē)載充電器半導體開(kāi)關(guān)領(lǐng)域，碳化硅 (SiC) MOSFET 占據明顯的優(yōu)勢。UnitedSiC（如今為 Qorvo）SiC FET 具有獨特的 Si MOSFET 和 SiC JFET 級聯(lián)結構，其效率高于 IGBT，且比超結 MOSFET 更具吸引力。不過(guò)，這不僅關(guān)乎轉換系統的整體損耗。對于 EV 車(chē)主來(lái)說(shuō)，成本、尺寸和重量也是很重要的因素。

設計人員可以選擇在 EV 車(chē)載充電器中使用不同封裝類(lèi)型的半導體電源開(kāi)關(guān)，包括使用 SiC FET 時(shí)，可實(shí)現高達數萬(wàn)瓦特功率的表貼器件。在本博客文章中，我們將探討 SiC FET 的一些性能指標。

OBC 充電器中的 SiC FET

在 EV 的典型功率水平下，即使效率超過(guò) 98%，車(chē)載充電器在高溫環(huán)境下也需要耗散數百瓦特的電量。因此，我們需要進(jìn)行散熱，并通常采用液體冷卻實(shí)現。如何將開(kāi)關(guān)連接至該散熱裝置，優(yōu)化熱傳遞、提高良品率和降低裝配成本，是一個(gè)主要的設計考慮因素。SiC FET 通常采用具有出色熱性能（結點(diǎn)到冷卻液的熱阻約為1.0°C/W）的 TO-247-4L 封裝，同時(shí)使用 UnitedSiC（如今為 Qorvo）的晶圓減薄技術(shù)、銀燒結芯片和陶瓷隔離器焊盤(pán)。然而，TO-247-4L 封裝也存在缺點(diǎn)，它需要進(jìn)行機械固定和通孔焊接。該封裝還具有顯著(zhù)的封裝電感和受限的爬電距離，其引腳之間還存在一定間隙。此外，該封裝的 PCB 焊盤(pán)間距較小，除非導線(xiàn)采用復雜且成本較高的方式進(jìn)行  “嚙合”。

表 1：D2PAK-7L 和 TO-247-4L 進(jìn)行比較。

表貼替代產(chǎn)品看似具有吸引力，但在 22kW 功率水平下如何？實(shí)際上，使用 UnitedSiC（如今的 Qorvo）D2PAK-7L 器件是可行的，對性能幾乎沒(méi)有影響，具體取決于功率轉換級。通過(guò)查看上述表 1 中封裝類(lèi)型之間的主要差異，我們可以了解到，除了芯片安裝面積之外，D2PAK-7L 在其他方面均優(yōu)于 TO-247-4L。對于焊接在絕緣金屬基板上的 18 毫歐器件，D2PAK-7L 的芯片安裝面積導致其結點(diǎn)到冷卻液的整體熱阻約為 1.3℃/W，相比于 TO-247-4L 封裝，高 30% 左右。

在功耗給定且其他條件相同的情況下，熱阻越高，結溫就越高，但由于使用SMT 器件可以節省大量組裝空間，可能還可以使用電阻更低的部件，這樣就可以降低溫度。但是，如果只使用一個(gè) SMT 器件來(lái)滿(mǎn)足熱限制要求，Tj 就會(huì )變得非常高，所以將 SMT 器件并聯(lián)是一個(gè)可行的解決方案。如果使用兩個(gè)并聯(lián)的 SMT 器件來(lái)取代一個(gè) SMT 器件，那么對于兩個(gè)并聯(lián) SMT 器件中每個(gè)器件的導通電阻，都是僅用一個(gè) SMT 器件時(shí)的兩倍。在這種情況下，兩個(gè)并聯(lián)器件中每個(gè)器件的電流都會(huì )減半，但導通電阻卻會(huì )翻倍，所以功耗就是使用單個(gè)器件的一半。由于導通電阻減半，兩個(gè)并聯(lián) SMT 器件的總功耗會(huì )略低于僅用一個(gè) SMT 器件的功耗。從熱學(xué)角度來(lái)看，每個(gè)器件的溫度都會(huì )更低，因為當采用相同的熱管理指標時(shí)（結點(diǎn)到環(huán)境或冷卻液的熱阻），每個(gè)并聯(lián)器件的功耗僅為使用單個(gè) SMT 器件時(shí)功耗的一半。理論上，每個(gè)并聯(lián) SMT 器件的溫升（從環(huán)境或冷卻液到結點(diǎn)）應為使用單個(gè) SMT 器件時(shí)的一半。除此之外，D2PAK-7L 的封裝電感更低，因此可實(shí)現更高的開(kāi)關(guān)邊緣速率，甚至更低的動(dòng)態(tài)損耗。

使用 UnitedSiC 在線(xiàn) FET-Jet Calculator? 比較典型車(chē)載充電器在不同級的封裝性能，則非常有益?！皥D騰柱 PFC” 級比較常見(jiàn)，例如在額定 6.6kW、400V 輸出、75kHz、連續導通模式 (CCM) 散熱/冷卻液溫度為 80℃ 的情況下，對一系列 TO-247-4L 和 D2PAK-7L SiC FET 的“快速開(kāi)關(guān)”支路進(jìn)行評估。經(jīng)過(guò)評估，我們發(fā)現這兩種封裝的結溫差在 3℃ 至 8℃ 之間，具體取決于導通電阻的等級。

圖 1：圖示為 Vienna 整流器前端。

在功率更高且使用三相交流電源的情況下，“Vienna 整流器” 可在 40kHz 下與 800V 直流鏈路一起使用（圖 1）?？梢允褂?750V SiC FET，如果再次比較 18 毫歐 TO-247-4L 和 D2PAK-7L 部件，我們發(fā)現，當 “半導體” 效率差異為 0.1% 時(shí)，兩者的結溫差只有 3℃。在這種應用中，高導通電阻部件不可避免地表現出更大的差異，且單個(gè)器件會(huì )出現不可行的溫升，但如果在 22kW 功率條件下使用高價(jià)值產(chǎn)品，低電阻部件的成本相對于所獲得的收益來(lái)說(shuō)則并不是太大的開(kāi)銷(xiāo)。

D2PAK-7L 在直流/直流功率轉換級可有效地取代 TO-247-4L

剛剛討論的圖騰柱 PFC 級和 Vienna 整流器級為 “硬” 開(kāi)關(guān)，且頻率保持在相對較低的范圍，以便最大限度地減少動(dòng)態(tài)損耗。OBC 中的直流/直流轉換級可以是諧振或 “軟” 開(kāi)關(guān)轉換器，比如頻率更高的 CLLC 拓撲，可實(shí)現較小的磁性元件和較低的損耗，通常為 300kHz。例如，在 6.6kW 400V 直流鏈路和使用 18 毫歐 SiC FET 的情況下，根據 FET-Jet Calculator? 的計算結果，TO-247-4L 和 D2PAK-7L 的單個(gè)器件損耗分別為 4.1W 和 4.2W，且由于 SMT 封裝具有更低的電感，所以在使用更高頻率時(shí)，理應選擇該封裝。

考慮系統總成本，且溫升或系統效率差異極小或不存在差異時(shí)（尤其是考慮到并聯(lián)的電氣和機械便利性的情況下），從 TO-247-4L 封裝變更為 SMT D2PAK-7L 封裝是順理成章的選擇。作為 SMT 器件，SiC FET 具有出色的品質(zhì)因素 (FoM) 和簡(jiǎn)單的柵極驅動(dòng)，逐漸成為 EV 車(chē)載充電器應用的理想開(kāi)關(guān)之選。

表貼替代產(chǎn)品看似具有吸引力，但在22kW 功率水平下如何？實(shí)際上，……

結論

SiC FET 的標準額定電壓為 1700V，且效率比 IGBT 更高，因此比超結 MOSFET 更具吸引力，并在各級 EV 車(chē)載充電領(lǐng)域占據明顯的優(yōu)勢。雖然 SiC FET 可在 TO-247-4L 封裝內提供出色的熱性能，但其缺點(diǎn)是需要進(jìn)行機械固定和通孔焊接。所以，當考慮系統總成本，且對溫升或效率影響極小或不存在影響時(shí)，選擇使用 SMT 器件（如 UnitedSiC D2PAK-7L 封裝）則是一種合理的自然發(fā)展現象。這些 SMT SiC FET 不僅可以為設計人員節省大量的電路裝配費用，還可以提供一流的 FoM 和簡(jiǎn)單易用的柵極驅動(dòng)解決方案，因此是 EV 車(chē)載充電器的理想開(kāi)關(guān)之選。