OBC 充电器中的 SiC FET

小封装带来好东西：OBC 充电器中的 SiC FET

（来源：Qorvo）

介绍

碳化硅 (SiC) MOSFET 正在稳固地确立自己作为 22kW 及更高功率级别电动汽车 (EV) 车载充电器所有阶段半导体开关的竞争者地位。UnitedSiC（现为 Qorvo）SiC FET 具有独特的 Si MOSFET 和 SiC JFET 级联结构，效率优于 IGBT，并且比超结 MOSFET 更具吸引力。不过，这不仅仅是关于整个转换器系统的损耗。成本、尺寸和重量也是对 EV 所有者重要的重要因素。

设计人员可以为 EV 车载充电器中的半导体功率开关选择不同的封装样式，包括在使用 SiC FET 时可以达到数十 kW 的表面贴装变体。在此博客中，我们将查看一些 SiC FET 性能数据。

OBC 充电器中的 SiC FET

在 EV 的典型功率水平下，即使效率超过 98%，车载充电器仍然需要在炎热环境中从一个小外壳中耗散数百瓦特。因此，需要散热，通常采用液体冷却。一个主要的设计考虑是开关如何连接到这种散热布置以实现最佳热传递、产量可靠性和低组装成本。在 TO-247-4L 封装中发现SiC FET很常见，该封装提供出色的热性能，使用UnitedSiC从结点到冷却液的热性能约为 1.0°C/W（现为 Qorvo）的晶圆减薄技术，采用银烧结芯片和陶瓷隔离垫。然而，TO-247-4L 封装的缺点是需要机械固定和通孔焊接。它还具有显着的封装电感，并且其引脚之间的爬电距离和间隙有限。此外，封装在 PCB 焊盘之间的距离更小，除非以复杂且昂贵的方式“接合”引线。

表面贴装替代方案似乎很有吸引力，但在 22kW 级别？实际上，是的，它可以与UnitedSiC（现为 Qorvo）D2PAK-7L设备一起使用，对性能影响很小或没有影响，具体取决于所考虑的电源转换阶段。查看下表 1中封装样式之间的主要差异，D2PAK-7L 胜出，芯片焊盘尺寸除外，这导致 18 毫欧姆键合器件的整体结至冷却液热阻约为 1.3°C/W绝缘金属基板，比 TO-247-4L 封装高约 30%。

表 1：D2PAK-7L 和 TO-247-4L 之间的比较（来源：Qorvo）

较高热阻的实际效果是，对于给定的耗散功率，结温度较高，所有情况都相同，但由于SMT器件节省了大量的组装成本，可能可以使用较低电阻的部件，从而降低温度。然而，如果仅使用一个SMT器件达到热极限，则Tj变得过高，并联SMT器件是可行的解决方案。如果使用两个并联的SMT器件来替换一个SMT器件，则与仅使用一个SMT设备相比，两个并联SMT器件中的每一个应具有两倍的导通电阻。在这种情况下，每个部件中的电流减半，但每个部件的导通电阻加倍，因此耗散是单个部件的一半。与仅使用一个具有一半导通电阻的SMT器件相比，两个并联SMT器件的总功耗将略低。在热方面，每个器件都会更冷，因为对于相同的热管理（从结到环境或冷却剂的热阻），每个并联器件只消耗单个SMT器件一半的损耗。因此，理论上，每个并联SMT器件从环境或冷却剂到结的温度升高也应该是单个SMT器件的一半。除此之外，D2PAK-7L的较低封装电感可能允许更快的开关边缘速率，甚至更低的动态损耗。

使用 UnitedSiC 在线 FET-Jet Calculator ™查看典型车载充电器不同阶段的封装性能比较示例非常有用。“图腾柱 PFC”级很常见，一个额定功率为 6.6kW、400V 输出、75kHz、连续导通模式 (CCM) 的示例使用一系列 TO-247-4L 和 D2PAK-7L SiC FET 进行了评估，以实现“快速”开关'腿，散热器/流体温度为 80°C。两种封装之间的结温差范围为 3°C 至 8°C，具体取决于导通电阻的等级。

在更高功率和三相交流电源下，“维也纳整流器”可能与 800V 直流链路一起使用，例如 40kHz（图 1）。可以使用750V SiC FET，如果再次比较 18 毫欧 TO-247-4L 和 D2PAK-7L 部件，结温差异仅为 3°C，“半导体”效率差异为 0.1%。此应用中的导通电阻较高的部件不可避免地会显示出较大的差异，单个设备的温升无法正常工作，但在高价值产品中为 22kW，较低电阻部件的成本对于获得的好处而言并不是很大的开销。

图 1：该图展示了 Vienna 整流器前端。（来源：Qorvo）

D2PAK-7L 可有效替代 DC/DC 级中的 TO-247-4L

刚刚考虑的图腾柱 PFC 和 Vienna 整流器级是“硬”开关，频率保持相对较低以最大限度地减少动态损耗。OBC 中的 DC/DC 级可以是谐振或“软”开关转换器，例如 CLLC 拓扑，具有更高的频率以实现小磁性和低损耗，通常为 300kHz。例如，在 6.6kW 和 400V 直流链路并使用 18 毫欧 SiC FETS 时，根据 FET-Jet Calculator™，TO-247-4L 和 D2PAK-7L 的损耗分别为 4.1W 和 4.2W，而SMT 封装的较低电感使其成为使用更高频率的自然选择。

从 TO-247-4L 类型转向 SMT D2PAK-7L 封装是一种自然的发展，当考虑总系统成本时温升或系统效率差异很小或没有差异时，尤其是考虑到并联的电气和机械便利性时。 SMT 器件及其一流的品质因数 (FoM) 和简单的栅极驱动，SiC FET 正逐渐成为 EV 车载充电器应用的理想开关选择。

结论

凭借标准的 1700V 额定值和比 IGBT 更高的效率，SiC FET 正变得比超级结 MOSFET 更具吸引力，在 EV 车载充电的所有阶段稳固地成为竞争者。虽然 TO-247-4L 封装中的 SiC FET 具有出色的热性能，但缺点是它们需要机械固定和通孔焊接。因此，当考虑总系统成本且对温升或效率的影响最小或没有影响时，迁移到 UnitedSiC D2PAK-7L 封装等 SMT 器件是一种自然演变。这些 SMT SiC FET 不仅为设计人员显着节省电路组装成本，而且还提供一流的 FoM 和简单的栅极驱动解决方案，使其成为 EV 车载充电器的理想开关选择。

作者

Mike Zhu 是 UnitedSiC Inc（现为 Qorvo）的应用工程师。他于 2013 年获得重庆大学电气工程学士学位，2015 年获得俄亥俄州立大学电气与计算机工程硕士学位，此后加入 UnitedSiC。他在SiC和GaN器件评估、高频、高效率和高功率密度电力电子设计以及WBG器件的EMI解决方案方面有9年的研究经验。

审核编辑 黄宇