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（現為 Qorvo）SiC FET 具有獨特的 Si MOSFET 和 SiC JFET 級聯結構，效率優于 IGBT，并且比超結 MOSFET 更具吸引力。不過，這不僅僅是關于整個轉換器系統的損耗。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 性能數據。

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境中從一個小外殼中耗散數百瓦特。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最佳熱傳遞、產量可靠性和低組裝成本。在 TO-247-4L 封裝中發現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SMT器件是可行的解決方案。如果使用兩個并聯的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（從結到環境或冷卻劑的熱阻），每個并聯器件只消耗單個SMT器件一半的損耗。因此，理論上，每個并聯SMT器件從環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。“圖騰柱 PFC”級很常見，一個額定功率為 6.6kW、400V 輸出、75kHz、連續導通模式 (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“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）。可以使用750V 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損耗。OBC 中的 DC/DC 級可以是諧振或“軟”開關轉換器，例如 CLLC 拓撲，具有更高的頻率以實現小磁性和低損耗，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 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 類型轉向 SMT D2PAK-7L 封裝是一種自然的發展，當考慮總系統成本時溫升或系統效率差異很小或沒有差異時，尤其是考慮到并聯的電氣和機械便利性時。 SMT 器件及其一流的品質因數 (FoM) 和簡單的柵極驅動，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省電路組裝成本，而且還提供一流的 FoM 和簡單的柵極驅動解決方案，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年的研究經驗。

審核編輯黃宇