功率轉換效率對于解決電動汽車續航里程和充電時間的擔憂至關重要。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，但它們存在動態損耗增加和效率降低的風險。MOSFET，尤其是那些使用碳化硅的 MOSFET，可以通過提供更低的損耗來解決這個問題。

UnitedSiC 現已成為 Qorvo 的一部分，率先推出了 SiC FET，這是一種常關型、級聯組合，由 SiC JFET 和硅 MOSFET 組成。作為 SiC 寬帶隙技術中的佼佼者，它在所有競爭技術中具有最佳的品質因數 （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：與競爭技術相比，SiC FET 的品質因數 RdsA

由于其快速開關和低損耗體二極管，SiC FET 在硬開關拓撲中表現出色，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，即使用于 800V 總線應用，也受益于使用具有超低導通損耗的 SiC FET。

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

SiC FET 封裝選項

SiC FET 表現出卓越的性能，特別是在高壓和多千瓦應用中，即使效率達到 99.5% 或更高，器件功耗仍然可以超過 10 W。為了保持可接受的結溫升，TO247 封裝很受歡迎，具有它的結殼熱阻非常低。在 SiC FET 中，銀燒結芯片貼裝和先進的晶圓減薄技術用于進一步提高熱性能。Qorvo 的大多數 SiC FET 都采用這種樣式，通常使用第四根引線作為開爾文連接到 JFET 源極，指定為 T0247-4L，以避免負載電流和柵極驅動環路之間的相互作用。在 OBC 應用中，TO247 器件將被機械夾在帶有陶瓷絕緣體和導熱膏的液冷鋁散熱器上。端接將連接到 PCB 中的通孔，并在引線上形成應力消除。雖然這提供了非常好的熱性能，但它涉及用于夾持和焊接的大量機械組裝、多個部件以及導熱膏的雜亂應用。器件引腳之間的電壓隔離爬電距離和間隙也受到限制。

表面貼裝封裝節省成本

現代替代方案是使用表面貼裝部件，現在 Qorvo 提供 D2PAK-7L 格式的 SiC FET。這些器件具有低導通電阻，可與 TO247 類型相媲美，但可以機器放置和回流焊接到連接到液體冷卻系統的絕緣金屬基板 （IMS）。無需手動操作或絕緣墊和粘貼。D2PAK-7L 封裝中的五個并聯源極引線與 TO247 單引線相比具有更低的組合電阻和電感，并且漏極連接的爬電距離和間隙要大得多。

由于可用空間，需要權衡的是導熱墊尺寸——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的結到外殼、結到冷卻流體以及外殼到流體的熱阻數據。表 3 顯示了具有兩種不同 IMS 電介質厚度和相關熱導率的 D2PAK-7L SiC FET 從結到外殼、結到流體以及外殼到流體的熱阻數據。

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 以促進結溫估計。

在每個應用中最重要的是結溫升高和效率，受傳導和動態損耗的影響。然而，損耗隨著結溫而增加，因此這兩種效應是相互依賴的。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損耗與負載電流有著復雜的關系，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 總線的示例開關損耗 E SW （μJ） 與電流的關系，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，因此預測特定電源轉換電路的整體效率非常復雜。然而，SiC FET 由 Qorvo （UnitedSiC） 在線、免費使用的 FET-Jet 計算器支持，該計算器自動考慮所有參數，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”連續導通模式下運行。快腿設備以 75 kHz 切換，慢腿設備以線路頻率切換。兩條快腿與每個位置的單個設備交錯，慢腿也有每個位置的單個設備。

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的計算損耗和峰值結溫，適用于一系列 SiC FET 器件。當所有因素及其相互作用相結合時，兩種封裝類型之間實現的半導體效率差異很小。SMD 封裝的峰值結溫更高但仍然合理，特別是考慮到 SiC 固有的高溫穩健性。

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的損耗和峰值結溫

軟交換拓撲也有同樣的好處

圖騰柱 PFC 級是在連續導通模式下運行時硬開關拓撲的一個示例，這是限制組件應力所必需的。軟開關電路的一個示例是 CLLC 拓撲，通常用于 EV OBC DC/DC 轉換級（圖 4）。

圖 4：CLLC DC/DC 轉換器的外形

在此電路中，額定功率為 6.6 kW，開關頻率為 300 kHz，總線為 400-VDC，熱假設與 PFC 示例相同，FET-Jet 計算器得出表 5 的結果。這些結果表明，在其他可比的 SMD 和通孔器件之間的器件效率，并且峰值結溫僅相差幾度。在實踐中，SiC FET 還可以在系統的其他地方節省效率——例如，在柵極驅動電路中，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 器件的開關損耗和峰值結溫

表面貼裝開關可用于 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 開關頻率和 800 VDC 總線下進行了評估。同樣，假設與前面的示例一樣，外殼到環境的熱阻相同。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 整流器級中的開關損耗和峰值結溫

結論

分析表明，在多千瓦級別的 EV 車載充電器的所有轉換階段，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省組裝和相關硬件成本，以及 SiC FET 帶來的廣泛其他優勢，例如一流的 FOM、易于柵極驅動、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：郭婷