OBC 充电器中的 SiC FET 封装小巧，功能强大
发布时间：2023-03-23 11:15:35
来源：RF技术社区 (https://rf.eefocus.com)
Mike Zhu，Qorvo 高级产品应用工程师
EV 车载充电器和表贴器件中的半导体电源开关在使用 SiC FET 时，可实现高达数万瓦特的功率。我们将了解一些性能指标。
引言
在功率水平为 22kW 及以上的所有级别电动汽车 (EV) 车载充电器半导体开关领域，碳化硅 (SiC) MOSFET 占据明显的优势。UnitedSiC（如今为 Qorvo）SiC FET 具有独特的 Si MOSFET 和 SiC JFET 级联结构，其效率高于 IGBT，且比超结 MOSFET 更具吸引力。不过，这不仅关乎转换系统的整体损耗。对于 EV 车主来说，成本、尺寸和重量也是很重要的因素。
设计人员可以选择在 EV 车载充电器中使用不同封装类型的半导体电源开关，包括使用 SiC FET 时，可实现高达数万瓦特功率的表贴器件。在本博客文章中，我们将探讨 SiC FET 的一些性能指标。
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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%，车载充电器在高温环境下也需要耗散数百瓦特的电量。因此，我们需要进行散热，并通常采用液体冷却实现。如何将开关连接至该散热装置，优化热传递、提高良品率和降低装配成本，是一个主要的设计考虑因素。SiC FET 通常采用具有出色热性能（结点到冷却液的热阻约为1.0°C/W）的 TO-247-4L 封装，同时使用 UnitedSiC（如今为 Qorvo）的晶圆减薄技术、银烧结芯片和陶瓷隔离器焊盘。然而，TO-247-4L 封装也存在缺点，它需要进行机械固定和通孔焊接。该封装还具有显著的封装电感和受限的爬电距离，其引脚之间还存在一定间隙。此外，该封装的 PCB 焊盘间距较小，除非导线采用复杂且成本较高的方式进行 “啮合”。
表 1：D2PAK-7L 和 TO-247-4L 进行比较。
表贴替代产品看似具有吸引力，但在 22kW 功率水平下如何？实际上，使用 UnitedSiC（如今的 Qorvo）D2PAK-7L 器件是可行的，对性能几乎没有影响，具体取决于功率转换级。通过查看上述表 1 中封装类型之间的主要差异，我们可以了解到，除了芯片安装面积之外，D2PAK-7L 在其他方面均优于 TO-247-4L。对于焊接在绝缘金属基板上的 18 毫欧器件，D2PAK-7L 的芯片安装面积导致其结点到冷却液的整体热阻约为 1.3℃/W，相比于 TO-247-4L 封装，高 30% 左右。
在功耗给定且其他条件相同的情况下，热阻越高，结温就越高，但由于使用SMT 器件可以节省大量组装空间，可能还可以使用电阻更低的部件，这样就可以降低温度。但是，如果只使用一个 SMT 器件来满足热限制要求，Tj 就会变得非常高，所以将 SMT 器件并联是一个可行的解决方案。如果使用两个并联的 SMT 器件来取代一个 SMT 器件，那么对于两个并联 SMT 器件中每个器件的导通电阻，都是仅用一个 SMT 器件时的两倍。在这种情况下，两个并联器件中每个器件的电流都会减半，但导通电阻却会翻倍，所以功耗就是使用单个器件的一半。由于导通电阻减半，两个并联 SMT 器件的总功耗会略低于仅用一个 SMT 器件的功耗。从热学角度来看，每个器件的温度都会更低，因为当采用相同的热管理指标时（结点到环境或冷却液的热阻），每个并联器件的功耗仅为使用单个 SMT 器件时功耗的一半。理论上，每个并联 SMT 器件的温升（从环境或冷却液到结点）应为使用单个 SMT 器件时的一半。除此之外，D2PAK-7L 的封装电感更低，因此可实现更高的开关边缘速率，甚至更低的动态损耗。
使用 UnitedSiC 在线 FET-Jet Calculator™ 比较典型车载充电器在不同级的封装性能，则非常有益。“图腾柱 PFC” 级比较常见，例如在额定 6.6kW、400V 输出、75kHz、连续导通模式 (CCM) 散热/冷却液温度为 80℃ 的情况下，对一系列 TO-247-4L 和 D2PAK-7L SiC FET 的“快速开关”支路进行评估。经过评估，我们发现这两种封装的结温差在 3℃ 至 8℃ 之间，具体取决于导通电阻的等级。
图 1：图示为 Vienna 整流器前端。
在功率更高且使用三相交流电源的情况下，“Vienna 整流器” 可在 40kHz 下与 800V 直流链路一起使用（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，我们发现，当 “半导体” 效率差异为 0.1% 时，两者的结温差只有 3℃。在这种应用中，高导通电阻部件不可避免地表现出更大的差异，且单个器件会出现不可行的温升，但如果在 22kW 功率条件下使用高价值产品，低电阻部件的成本相对于所获得的收益来说则并不是太大的开销。
D2PAK-7L 在直流/直流功率转换级可有效地取代 TO-247-4L
刚刚讨论的图腾柱 PFC 级和 Vienna 整流器级为 “硬” 开关，且频率保持在相对较低的范围，以便最大限度地减少动态损耗。OBC 中的直流/直流转换级可以是谐振或 “软” 开关转换器，比如频率更高的 CLLC 拓扑，可实现较小的磁性元件和较低的损耗，通常为 300kHz。例如，在 6.6kW 400V 直流链路和使用 18 毫欧 SiC FET 的情况下，根据 FET-Jet Calculator™ 的计算结果，TO-247-4L 和 D2PAK-7L 的单个器件损耗分别为 4.1W 和 4.2W，且由于 SMT 封装具有更低的电感，所以在使用更高频率时，理应选择该封装。
考虑系统总成本，且温升或系统效率差异极小或不存在差异时（尤其是考虑到并联的电气和机械便利性的情况下），从 TO-247-4L 封装变更为 SMT D2PAK-7L 封装是顺理成章的选择。作为 SMT 器件，SiC FET 具有出色的品质因素 (FoM) 和简单的栅极驱动，逐渐成为 EV 车载充电器应用的理想开关之选。
表贴替代产品看似具有吸引力，但在22kW 功率水平下如何？实际上，……
结论
SiC FET 的标准额定电压为 1700V，且效率比 IGBT 更高，因此比超结 MOSFET 更具吸引力，并在各级 EV 车载充电领域占据明显的优势。虽然 SiC FET 可在 TO-247-4L 封装内提供出色的热性能，但其缺点是需要进行机械固定和通孔焊接。所以，当考虑系统总成本，且对温升或效率影响极小或不存在影响时，选择使用 SMT 器件（如 UnitedSiC D2PAK-7L 封装）则是一种合理的自然发展现象。这些 SMT SiC FET 不仅可以为设计人员节省大量的电路装配费用，还可以提供一流的 FoM 和简单易用的栅极驱动解决方案，因此是 EV 车载充电器的理想开关之选。
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本文转载自Qorvo半导体微信公众号
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