【導讀】EV 車載充電器和表貼器件中的半導體電源開關在使用 SiC FET 時，可實現高達數萬瓦特的功率。我們將了解一些性能指標。
引言
在功率水平為 22kW 及以上的所有級別電動汽車 (EV) 車載充電器半導體開關領域，碳化硅 (SiC) MOSFET 占據明顯的優勢。UnitedSiC（如今為 Qorvo）SiC FET 具有獨特的 Si MOSFET 和 SiC JFET 級聯結構，其效率高于 IGBT，且比超結 MOSFET 更具吸引力。不過，這不僅關乎轉換系統的整體損耗。對于 EV 車主來說，成本、尺寸和重量也是很重要的因素。
設計人員可以選擇在 EV 車載充電器中使用不同封裝類型的半導體電源開關，包括使用 SiC FET 時，可實現高達數萬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。
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%，車載充電器在高溫環境下也需要耗散數百瓦特的電量。因此，我們需要進行散熱，并通常采用液體冷卻實現。如何將開關連接至該散熱裝置，優化熱傳遞、提高良品率和降低裝配成本，是一個主要的設計考慮因素。SiC FET 通常采用具有出色熱性能（結點到冷卻液的熱阻約為1.0°C/W）的 TO-247-4L 封裝，同時使用 UnitedSiC（如今為 Qorvo）的晶圓減薄技術、銀燒結芯片和陶瓷隔離器焊盤。然而，TO-247-4L 封裝也存在缺點，它需要進行機械固定和通孔焊接。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，除非導線采用復雜且成本較高的方式進行 “嚙合”。
表 1：D2PAK-7L 和 TO-247-4L 進行比較。
表貼替代產品看似具有吸引力，但在 22kW 功率水平下如何？實際上，使用 UnitedSiC（如今的 Qorvo）D2PAK-7L 器件是可行的，對性能幾乎沒有影響，具體取決于功率轉換級。通過查看上述表 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 在其他方面均優于 TO-247-4L。對于焊接在絕緣金屬基板上的 18 毫歐器件，D2PAK-7L 的芯片安裝面積導致其結點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，結溫就越高，但由于使用SMT 器件可以節省大量組裝空間，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 SMT 器件來滿足熱限制要求，Tj 就會變得非常高，所以將 SMT 器件并聯是一個可行的解決方案。如果使用兩個并聯的 SMT 器件來取代一個 SMT 器件，那么對于兩個并聯 SMT 器件中每個器件的導通電阻，都是僅用一個 SMT 器件時的兩倍。在這種情況下，兩個并聯器件中每個器件的電流都會減半，但導通電阻卻會翻倍，所以功耗就是使用單個器件的一半。由于導通電阻減半，兩個并聯 SMT 器件的總功耗會略低于僅用一個 SMT 器件的功耗。從熱學角度來看，每個器件的溫度都會更低，因為當采用相同的熱管理指標時（結點到環境或冷卻液的熱阻），每個并聯器件的功耗僅為使用單個 SMT 器件時功耗的一半。理論上，每個并聯 SMT 器件的溫升（從環境或冷卻液到結點）應為使用單個 SMT 器件時的一半。除此之外，D2PAK-7L 的封裝電感更低，因此可實現更高的開關邊緣速率，甚至更低的動態損耗。
使用 UnitedSiC 在線 FET-Jet Calculator? 比較典型車載充電器在不同級的封裝性能，則非常有益。“圖騰柱 PFC” 級比較常見，例如在額定 6.6kW、400V 輸出、75kHz、連續導通模式 (CCM) 散熱/冷卻液溫度為 80℃ 的情況下，對一系列 TO-247-4L 和 D2PAK-7L SiC FET 的“快速開關”支路進行評估。經過評估，我們發現這兩種封裝的結溫差在 3℃ 至 8℃ 之間，具體取決于導通電阻的等級。
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，我們發現，當 “半導體” 效率差異為 0.1% 時，兩者的結溫差只有 3℃。在這種應用中，高導通電阻部件不可避免地表現出更大的差異，且單個器件會出現不可行的溫升，但如果在 22kW 功率條件下使用高價值產品，低電阻部件的成本相對于所獲得的收益來說則并不是太大的開銷。
D2PAK-7L 在直流/直流功率轉換級可有效地取代 TO-247-4L
剛剛討論的圖騰柱 PFC 級和 Vienna 整流器級為 “硬” 開關，且頻率保持在相對較低的范圍，以便最大限度地減少動態損耗。OBC 中的直流/直流轉換級可以是諧振或 “軟” 開關轉換器，比如頻率更高的 CLLC 拓撲，可實現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 FET-Jet Calculator? 的計算結果，TO-247-4L 和 D2PAK-7L 的單個器件損耗分別為 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，理應選擇該封裝。
考慮系統總成本，且溫升或系統效率差異極小或不存在差異時（尤其是考慮到并聯的電氣和機械便利性的情況下），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 具有出色的品質因素 (FoM) 和簡單的柵極驅動，逐漸成為 EV 車載充電器應用的理想開關之選。
表貼替代產品看似具有吸引力，但在22kW 功率水平下如何？實際上，……
結論
SiC FET 的標準額定電壓為 1700V，且效率比 IGBT 更高，因此比超結 MOSFET 更具吸引力，并在各級 EV 車載充電領域占據明顯的優勢。雖然 SiC FET 可在 TO-247-4L 封裝內提供出色的熱性能，但其缺點是需要進行機械固定和通孔焊接。所以，當考慮系統總成本，且對溫升或效率影響極小或不存在影響時，選擇使用 SMT 器件（如 UnitedSiC D2PAK-7L 封裝）則是一種合理的自然發展現象。這些 SMT SiC FET 不僅可以為設計人員節省大量的電路裝配費用，還可以提供一流的 FoM 和簡單易用的柵極驅動解決方案，因此是 EV 車載充電器的理想開關之選。
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