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[分享] 多图预警 | 如何正确理解功率器件的FoM?

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发表于 2023-11-29 11:21:16 | 显示全部楼层 |阅读模式
在电源应用中,哪怕已经确定拓扑结构、频率和负载范围等需求,工程师短时间内也很难判断哪一种开关技术最好……“品质因数”(Figure of Merit, FoM),就是帮助电源设计人员直观衡量功率器件性能优劣的重要概念,特别是损耗描述方面,在挑选功率器件时可以发挥“神助攻”。

o FoM其中一个指标是RDS x Area、器件导通电阻与晶粒面积的乘积,它有效表明了给定晶粒体积与导电损耗的关系,即始终可以通过提高晶粒体积降低导通电阻,但是电容、开关损耗和成本也会随之增加。

o RDS(on) x Eoss是另一个指标,它结合了导电损耗与开关损耗,开关损耗是由器件输出电容内存储的能量造成的,该指标对硬开关拓扑结构十分重要。

o RDS(on) x Qg也是指标之一,即器件导通电阻与门级电荷的乘积,RDS(on)越小则导通损耗越小,Qg越小则开关速度越快、动态功耗更小,因此RDS(on) x Qg越小,功率器件综合性能越优秀。

o 更多指标,例如各种开关类型的沟道影响和反向导电损耗可以用RDS(on) x Qrr这一指标描述;在高频软开关拓扑结构中表示性能的一个指标是RDS(on) x Coss,tr,其中的tr表示“与时间相关”等等……

通过对比不同功率器件的品质因数FoM(一般越小越好),电源设计人员可以确定最适合其设计的技术,这不仅适用于特定的产品规格,也可以广泛对比各种拓扑、功率等级的产品性能。

FoM行业新标杆Qorvo 第4代 SiC FET 备受瞩目的Qorvo第4代SiC FET可以为业界提供了一流的开关速度、更低的开关损耗、更高的效率等性能,包括5.4~60mohm导通电阻的750V UJ4C/SC系列、23~70mohm导通电阻的1200V UF4C/SC系列等产品,能够为电源设计人员提供多种器件选项和优异的设计灵活性,有助于打造具有成本效益的SiC电源解决方案。

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通过以下系列图片,了解Qorvo第4代 SiC FET与其他先进厂商SiC MOSFET的FoM差异。

• 750V SiC FET与同类产品的FoM参数归一化对比


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*基于20~30mohm SiC MOSFET的公开Datasheet数据(截至2022年7月)

• 1200V SiC FET与同类产品的FoM参数归一化对比

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*基于30~40mohm、TO-247-3L和TO-247-4L封装SiC MOSFET的公开Datasheet数据(截至2022年4月)

在硬开关、软开关等细分应用中,电源设计人员关注的FoM指标也有所侧重。通过以下汇总的数据表结果,可以看出:与同类SiC MOSFET相比,Qorvo第4代SiC FET系列在硬开关和软开关电路中提供更低的导通损耗、简单的栅极驱动和更低的开关损耗。

750V SiC FET

①硬开关:基于低RDS(on) x Eoss/Qoss 的最低总损耗,优于同类产品近1.5倍。
②软开关:持续的低RDS(on) x Coss,tr可在软开关应用中实现更高的功率密度,Qg x VDrive的栅极驱动损耗较同类产品低2.5~6倍。
③RDS x Area:在特定尺寸或封装类型下,整体有效温度范围内的传导损耗最低。

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1200V SiC FET

①硬开关:基于低RDS(on) x Eoss/Qoss 的最低总损耗,优于同类产品近2倍。②软开关:持续的低RDS(on) x Coss,tr可在软开关应用中实现更高的功率密度,Qg x VDrive的栅极驱动损耗较同类产品低5~10倍。
③RDS x Qg:非常低的RDS x Qg和0-12V栅极驱动电压可降低驱动损耗,特别在高频软开关应用中;有助于简化设计和减少板级散热管理。
   
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TOLL封装一小步高功率密度应用一大步

从传统封装过渡到新型封装和热解决方案是功率器件发展的重要趋势之一。2023年3月,Qorvo重磅发布TOLL封装的高功率5.4mohm 750V SiC FET,为受空间限制的应用场景提供高能效、高功率密度的产品选择,赋能服务器、数据中心、可再生能源和储能、汽车和工业充电等领域。

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对比市面上600/750V功率器件,Qorvo第4代SiC FET在导通电阻、输出电容等FoM方面表现出色,例如在TOLL封装中,5.4mohm的导通电阻,比同类产品中领先的Si MOSFET、SiC MOSFET和GaN晶体管等还要低4-10倍。

这款新品的TOLL 封装尺寸相比D2PAK表面贴装器件减少30%,高度仅为2.3mm,相当于同类产品的一半。尽管尺寸缩小,但先进的制造技术实现了从结到壳的行业领先的0.1°C/W 热阻。其他优异特性如直流电流额定值为120A,最高可达144°C,在0.5毫秒内脉冲额定电流可高达588A等,使其推出之际就受到了业界的广泛关注。

本文转载自Qorvo半导体微信公众号
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