【導(dǎo)讀】EV 車載充電器和表貼器件中的半導(dǎo)體電源開(kāi)關(guān)在使用 SiC FET 時(shí)，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)數(shù)萬(wàn)瓦特的功率。我們將了解一些性能指標(biāo)。
引言
在功率水平為 22kW 及以上的所有級(jí)別電動(dòng)汽車 (EV) 車載充電器半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)領(lǐng)域，碳化硅 (SiC) MOSFET 占據(jù)明顯的優(yōu)勢(shì)。UnitedSiC（如今為 Qorvo）SiC FET 具有獨(dú)特的 Si MOSFET 和 SiC JFET 級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，其效率高于 IGBT，且比超結(jié) MOSFET 更具吸引力。不過(guò)，這不僅關(guān)乎轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的整體損耗。對(duì)于 EV 車主來(lái)說(shuō)，成本、尺寸和重量也是很重要的因素。
設(shè)計(jì)人員可以選擇在 EV 車載充電器中使用不同封裝類型的半導(dǎo)體電源開(kāi)關(guān)，包括使用 SiC FET 時(shí)，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)數(shù)萬(wàn)瓦特功率的表貼器件。在本博客文章中，我們將探討 SiC FET 的一些性能指標(biāo)。
OBC 充電器中的 SiC FET
在 EV 的典型功率水平下，即使效率超過(guò) 98%，車載充電器在高溫環(huán)境下也需要耗散數(shù)百瓦特的電量。因此，我們需要進(jìn)行散熱，并通常采用液體冷卻實(shí)現(xiàn)。如何將開(kāi)關(guān)連接至該散熱裝置，優(yōu)化熱傳遞、提高良品率和降低裝配成本，是一個(gè)主要的設(shè)計(jì)考慮因素。SiC FET 通常采用具有出色熱性能（結(jié)點(diǎn)到冷卻液的熱阻約為1.0°C/W）的 TO-247-4L 封裝，同時(shí)使用 UnitedSiC（如今為 Qorvo）的晶圓減薄技術(shù)、銀燒結(jié)芯片和陶瓷隔離器焊盤。然而，TO-247-4L 封裝也存在缺點(diǎn)，它需要進(jìn)行機(jī)械固定和通孔焊接。該封裝還具有顯著的封裝電感和受限的爬電距離，其引腳之間還存在一定間隙。此外，該封裝的 PCB 焊盤間距較小，除非導(dǎo)線采用復(fù)雜且成本較高的方式進(jìn)行 “嚙合”。
表 1：D2PAK-7L 和 TO-247-4L 進(jìn)行比較。
表貼替代產(chǎn)品看似具有吸引力，但在 22kW 功率水平下如何？實(shí)際上，使用 UnitedSiC（如今的 Qorvo）D2PAK-7L 器件是可行的，對(duì)性能幾乎沒(méi)有影響，具體取決于功率轉(zhuǎn)換級(jí)。通過(guò)查看上述表 1 中封裝類型之間的主要差異，我們可以了解到，除了芯片安裝面積之外，D2PAK-7L 在其他方面均優(yōu)于 TO-247-4L。對(duì)于焊接在絕緣金屬基板上的 18 毫歐器件，D2PAK-7L 的芯片安裝面積導(dǎo)致其結(jié)點(diǎn)到冷卻液的整體熱阻約為 1.3℃/W，相比于 TO-247-4L 封裝，高 30% 左右。
在功耗給定且其他條件相同的情況下，熱阻越高，結(jié)溫就越高，但由于使用SMT 器件可以節(jié)省大量組裝空間，可能還可以使用電阻更低的部件，這樣就可以降低溫度。但是，如果只使用一個(gè) SMT 器件來(lái)滿足熱限制要求，Tj 就會(huì)變得非常高，所以將 SMT 器件并聯(lián)是一個(gè)可行的解決方案。如果使用兩個(gè)并聯(lián)的 SMT 器件來(lái)取代一個(gè) SMT 器件，那么對(duì)于兩個(gè)并聯(lián) SMT 器件中每個(gè)器件的導(dǎo)通電阻，都是僅用一個(gè) SMT 器件時(shí)的兩倍。在這種情況下，兩個(gè)并聯(lián)器件中每個(gè)器件的電流都會(huì)減半，但導(dǎo)通電阻卻會(huì)翻倍，所以功耗就是使用單個(gè)器件的一半。由于導(dǎo)通電阻減半，兩個(gè)并聯(lián) SMT 器件的總功耗會(huì)略低于僅用一個(gè) SMT 器件的功耗。從熱學(xué)角度來(lái)看，每個(gè)器件的溫度都會(huì)更低，因?yàn)楫?dāng)采用相同的熱管理指標(biāo)時(shí)（結(jié)點(diǎn)到環(huán)境或冷卻液的熱阻），每個(gè)并聯(lián)器件的功耗僅為使用單個(gè) SMT 器件時(shí)功耗的一半。理論上，每個(gè)并聯(lián) SMT 器件的溫升（從環(huán)境或冷卻液到結(jié)點(diǎn)）應(yīng)為使用單個(gè) SMT 器件時(shí)的一半。除此之外，D2PAK-7L 的封裝電感更低，因此可實(shí)現(xiàn)更高的開(kāi)關(guān)邊緣速率，甚至更低的動(dòng)態(tài)損耗。
使用 UnitedSiC 在線 FET-Jet Calculator? 比較典型車載充電器在不同級(jí)的封裝性能，則非常有益。“圖騰柱 PFC” 級(jí)比較常見(jiàn)，例如在額定 6.6kW、400V 輸出、75kHz、連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 散熱/冷卻液溫度為 80℃ 的情況下，對(duì)一系列 TO-247-4L 和 D2PAK-7L SiC FET 的“快速開(kāi)關(guān)”支路進(jìn)行評(píng)估。經(jīng)過(guò)評(píng)估，我們發(fā)現(xiàn)這兩種封裝的結(jié)溫差在 3℃ 至 8℃ 之間，具體取決于導(dǎo)通電阻的等級(jí)。
圖 1：圖示為 Vienna 整流器前端。
在功率更高且使用三相交流電源的情況下，“Vienna 整流器” 可在 40kHz 下與 800V 直流鏈路一起使用（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，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng) “半導(dǎo)體” 效率差異為 0.1% 時(shí)，兩者的結(jié)溫差只有 3℃。在這種應(yīng)用中，高導(dǎo)通電阻部件不可避免地表現(xiàn)出更大的差異，且單個(gè)器件會(huì)出現(xiàn)不可行的溫升，但如果在 22kW 功率條件下使用高價(jià)值產(chǎn)品，低電阻部件的成本相對(duì)于所獲得的收益來(lái)說(shuō)則并不是太大的開(kāi)銷。
D2PAK-7L 在直流/直流功率轉(zhuǎn)換級(jí)可有效地取代 TO-247-4L
剛剛討論的圖騰柱 PFC 級(jí)和 Vienna 整流器級(jí)為 “硬” 開(kāi)關(guān)，且頻率保持在相對(duì)較低的范圍，以便最大限度地減少動(dòng)態(tài)損耗。OBC 中的直流/直流轉(zhuǎn)換級(jí)可以是諧振或 “軟” 開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器，比如頻率更高的 CLLC 拓?fù)洌蓪?shí)現(xiàn)較小的磁性元件和較低的損耗，通常為 300kHz。例如，在 6.6kW 400V 直流鏈路和使用 18 毫歐 SiC FET 的情況下，根據(jù) FET-Jet Calculator? 的計(jì)算結(jié)果，TO-247-4L 和 D2PAK-7L 的單個(gè)器件損耗分別為 4.1W 和 4.2W，且由于 SMT 封裝具有更低的電感，所以在使用更高頻率時(shí)，理應(yīng)選擇該封裝。
考慮系統(tǒng)總成本，且溫升或系統(tǒng)效率差異極小或不存在差異時(shí)（尤其是考慮到并聯(lián)的電氣和機(jī)械便利性的情況下），從 TO-247-4L 封裝變更為 SMT D2PAK-7L 封裝是順理成章的選擇。作為 SMT 器件，SiC FET 具有出色的品質(zhì)因素 (FoM) 和簡(jiǎn)單的柵極驅(qū)動(dòng)，逐漸成為 EV 車載充電器應(yīng)用的理想開(kāi)關(guān)之選。
表貼替代產(chǎn)品看似具有吸引力，但在22kW 功率水平下如何？實(shí)際上，……
結(jié)論
SiC FET 的標(biāo)準(zhǔn)額定電壓為 1700V，且效率比 IGBT 更高，因此比超結(jié) MOSFET 更具吸引力，并在各級(jí) EV 車載充電領(lǐng)域占據(jù)明顯的優(yōu)勢(shì)。雖然 SiC FET 可在 TO-247-4L 封裝內(nèi)提供出色的熱性能，但其缺點(diǎn)是需要進(jìn)行機(jī)械固定和通孔焊接。所以，當(dāng)考慮系統(tǒng)總成本，且對(duì)溫升或效率影響極小或不存在影響時(shí)，選擇使用 SMT 器件（如 UnitedSiC D2PAK-7L 封裝）則是一種合理的自然發(fā)展現(xiàn)象。這些 SMT SiC FET 不僅可以為設(shè)計(jì)人員節(jié)省大量的電路裝配費(fèi)用，還可以提供一流的 FoM 和簡(jiǎn)單易用的柵極驅(qū)動(dòng)解決方案，因此是 EV 車載充電器的理想開(kāi)關(guān)之選。
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