【導(dǎo)讀】SiC FET在共源共柵結(jié)構(gòu)中結(jié)合硅基MOSFET和SiC JFET，帶來(lái)最新寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)的性能優(yōu)勢(shì)，以及成熟硅基功率器件的易用性。SiC FET現(xiàn)可采用表面貼裝TOLL封裝，由此增加了自動(dòng)裝配的便利性，同時(shí)減少了元件尺寸，并達(dá)成出色的熱特性，在功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了功率密度最大化和系統(tǒng)成本最小化。
寬帶隙（WBG）半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，如碳化硅共源共柵結(jié)構(gòu)FET（以下簡(jiǎn)稱“SiC FET”）和SiC MOSFET的性能與其封裝密切相關(guān)。在純技術(shù)層面，納秒級(jí)的開(kāi)關(guān)速度和較低的比導(dǎo)通電阻帶來(lái)非常低的損耗；在相同的芯片尺寸下，可以處理比硅基材料高得多的電流水平。然而，對(duì)外界的熱阻實(shí)際上限制了實(shí)際功率轉(zhuǎn)換電路中的結(jié)溫，而且任何引線電感都會(huì)影響可達(dá)到的開(kāi)關(guān)速度，因此器件制造商提供了不同的封裝技術(shù)，以根據(jù)應(yīng)用要求獲得最佳性能。
圖1：Qorvo SiC FET——硅基MOSFET和SiC JFET的“共源共柵”結(jié)構(gòu)。
不同的封裝適合不同的應(yīng)用
為什么SiC FET的最佳封裝取方式?jīng)Q于具體應(yīng)用？帶有大tab接點(diǎn)的傳統(tǒng)通孔引線封裝（如TO-247樣式）可能極具吸引力；其允許在使用硅基MOSFET甚至IGBT的現(xiàn)有設(shè)計(jì)中向后兼容。事實(shí)上，SiC共源共柵結(jié)構(gòu)FET的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是它與舊技術(shù)的引腳兼容和柵極驅(qū)動(dòng)相似性，這使得僅需對(duì)電路元件進(jìn)行微小改動(dòng)便能輕松升級(jí)，從而顯著提升效率或功率等級(jí)。
TO-247器件的大焊盤面積也非常適合直接連接至散熱器，以獲得數(shù)十瓦的耗散和較低的結(jié)溫上升幅度。然而，這種封裝的缺點(diǎn)為體積大、由機(jī)械裝配導(dǎo)致的較高人工成本，以及引線電感和電阻。因此，特別在高功率密度設(shè)計(jì)中，通常傾向于采用表面貼裝技術(shù)（SMT）封裝；它可以自動(dòng)放置元器件并采用回流焊接，與PCB連接處的電阻及電感也實(shí)現(xiàn)最小化，接近于零。然而，此種方式可能會(huì)導(dǎo)致較低的排熱效率；其散熱路徑通常通過(guò)電氣終端進(jìn)入PCB。這可能會(huì)限制大功率應(yīng)用的運(yùn)行，而這也正是WBG器件的優(yōu)勢(shì)所在。
基于封裝方式的局限進(jìn)行價(jià)值評(píng)估
PCB走線和封裝引線的電感及雜散電容，會(huì)由于WBG器件的快速電壓和電流邊緣速率而產(chǎn)生瞬態(tài)電壓和電流；例如，SiC具備超過(guò)100 kV/μs和1000 A/μs（圖2）的能力，這有助于實(shí)現(xiàn)低開(kāi)關(guān)損耗，特別是在“硬開(kāi)關(guān)”功率轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中。
然而，依據(jù)我們十分熟悉的公式：V = -L di/dt，僅僅10nH或大約10mm的引線長(zhǎng)度就會(huì)由于這個(gè)電流邊緣速率而產(chǎn)生10V的尖峰。如果該引線為源極連接，且與柵極驅(qū)動(dòng)回路共用，則會(huì)向柵極電路導(dǎo)入10V的電壓，從而影響柵極去偏和抗噪能力，造成更高的功率損耗。同樣，僅僅10pF的雜散電容與100 kV/μs的邊緣速率，會(huì)根據(jù)I = C dV/dt的公式產(chǎn)生1安培位移電流；其不確定的回流路徑還可能包括敏感信號(hào)連接。電容還會(huì)與雜散電感一并引發(fā)，可能造成電路不穩(wěn)定和產(chǎn)生不良的EMI特征。
圖2：采用Qorvo SiC FET所產(chǎn)生的電路邊緣速率示例
當(dāng)然，這些影響可以得到緩解；例如，通過(guò)使用開(kāi)爾文連接到柵極驅(qū)動(dòng)回路的源頭、采用負(fù)關(guān)態(tài)電壓，和通過(guò)細(xì)致的布局實(shí)踐將電容與電感降至最低[1]。然而，殘余的雜散值對(duì)于TO-247等引線封裝來(lái)說(shuō)仍然是個(gè)問(wèn)題，因此通常會(huì)通過(guò)定制柵極驅(qū)動(dòng)或使用阻尼器來(lái)有意減緩邊緣速率，但代價(jià)是更高的開(kāi)關(guān)損耗。
無(wú)引線封裝，如PDFN型（無(wú)引線功率雙平面），在很大程度上解決了雜散電感的問(wèn)題；一些WBG器件制造商提供了這種封裝，并強(qiáng)調(diào)其較小的尺寸和較低的輪廓/厚度，以適合高密度設(shè)計(jì)。與TO-247引線器件相比，由于熱擴(kuò)散不足，PDFN封裝的結(jié)點(diǎn)到外殼的熱阻（Rθ(J-C)）要差10倍以上，由此限制了其在高功率下的應(yīng)用。此外，由于器件和PCB間沒(méi)有引線連接，無(wú)法吸收熱膨脹不匹配產(chǎn)生的應(yīng)力，熱機(jī)械性能也會(huì)受到影響。
作為一種替代方案，D2PAK封裝有時(shí)可用于WBG器件，并提供針對(duì)高電流的7引線版本，還可選擇用于源的開(kāi)爾文連接。然而，這種表面貼裝封裝仍存在“引線”；由于電阻和電感的存在，其Rθ(J-C)與最佳TO-247值相比相差3倍。當(dāng)然，它確實(shí)在漏極與其它連接之間帶來(lái)固有的寬物理間距優(yōu)勢(shì)，使其能夠滿足高電壓下所推薦的爬電與間隙距離。
TOLL封裝是一個(gè)很好的解決方案
如圖3所示，使用TOLL封裝（無(wú)引線TO，MO-229）可以讓Rθ(J-C)低至0.1℃/W，接近理想狀態(tài)；Qorvo SiC FET系列的UJ4SC075005L8S器件便是一個(gè)實(shí)例。這一低值通過(guò)先進(jìn)的cell功能單元設(shè)計(jì)、銀燒結(jié)裸片連接和晶圓減薄實(shí)現(xiàn)。TOLL封裝的尺寸為10mm x 11.7mm，相比D2PAK小30%。漏極和其它連接間存在一個(gè)很大的空間，但由于引線比D2PAK短得多，因此寄生電感也低得多。此外，TOLL的高度為2.3mm，為D2PAK的一半，這為熱機(jī)械設(shè)計(jì)中的散熱器提供了額外的鰭片高度，同時(shí)在服務(wù)器電源裝置（PSU）等空間受限的設(shè)計(jì)中保持了相同的整體外形尺寸。與相同應(yīng)用中的D2PAK解決方案相比，這有可能進(jìn)一步降低器件結(jié)溫。因此，TOLL封裝解決方案的熱阻可能優(yōu)于D2PAK，特別是在焊盤提供更大的裸片尺寸時(shí)。
圖3：現(xiàn)可用于SiC FET的TOLL封裝
在TOLL封裝中，所有熱傳導(dǎo)均通過(guò)源極引腳和漏極焊盤連接實(shí)現(xiàn)；可以將之重新焊接至安裝于PCB的銅焊盤上，以傳導(dǎo)熱量。當(dāng)然，熱量仍必須有所去處；可以在PCB的背面直接安裝一個(gè)緊湊的可焊接SMT散熱器，通過(guò)PCB的通孔進(jìn)行熱連接。由于完全消除了通孔封裝和機(jī)械固定散熱器的手動(dòng)安裝工作，并且FET和散熱器均可以采用自動(dòng)化裝配進(jìn)行安裝，因此這種熱機(jī)械設(shè)計(jì)大大節(jié)省了裝配成本。該器件還可以被焊接至絕緣金屬基板（IMS）上，以獲得最終性能，并與尺寸更大的機(jī)械連接散熱器集成。
參考文獻(xiàn)1討論了這類布局；文獻(xiàn)還指出，一個(gè)長(zhǎng)1.6mm、直徑0.5mm、未填充、壁厚0.025mm的導(dǎo)熱孔帶來(lái)約100℃/W的熱阻。一個(gè)由200個(gè)此類通孔組成的矩陣，可以很容易地布置在TOLL封裝的tab接點(diǎn)下，并產(chǎn)生一個(gè)從漏極焊盤到底面銅地的大約0.5℃/W熱阻。在許多應(yīng)用中，這將提供非常有效的熱耦合和最小的溫差。
頂面冷卻的SMT封裝也在市場(chǎng)上迅速出現(xiàn)，并提供了更佳的性能。然而，工程師們需要一些時(shí)間來(lái)克服頂面冷卻封裝的相關(guān)挑戰(zhàn)；其中包括將不同高度的多個(gè)器件裝配至同一冷卻面，同時(shí)還要管理整體設(shè)計(jì)中的爬電與間隙要求。
圖4：在同一電壓等級(jí)下，TOLL封裝的不同器件實(shí)現(xiàn)的導(dǎo)通電阻
實(shí)現(xiàn)10倍于硅基MOSFET的額定峰值電流
在TOLL封裝的SiC FET中，異常低的封裝熱阻，以及由于超低5.4毫歐導(dǎo)通電阻和高達(dá)175℃的SiC FET結(jié)溫而產(chǎn)生的低功率損耗，都使得其與其它開(kāi)關(guān)相比具有較高的峰值電流承受能力并能承受更長(zhǎng)的時(shí)間——即“I2t”性能。在功率轉(zhuǎn)換電路中，負(fù)載可能會(huì)瞬間浪涌或短路，這就為器件在給定脈寬下所能承受的最大峰值電流提供了寶貴的額外安全裕度。當(dāng)SiC FET用于固態(tài)斷路器應(yīng)用時(shí)，預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)高瞬態(tài)故障電流，因而必須在沒(méi)有壓力的情況下承受。圖5顯示了TOLL封裝的SiC FET在達(dá)到安全工作極限前，承受給定峰值漏極電流的時(shí)間達(dá)到硅基MOSFET的10倍以上，由此提高了健壯度，讓故障檢測(cè)電路獲得更長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間，使其對(duì)電流尖峰的干擾性觸發(fā)更具免疫力。
圖5：峰值脈沖電流（I-t）電流能力比較——Qorvo TOLL封裝的SiC FET和硅基MOSFET
應(yīng)用
采用Qorvo TOLL封裝的額定750V共源共柵結(jié)構(gòu)SiC FET針對(duì)低靜態(tài)和動(dòng)態(tài)損耗進(jìn)行了優(yōu)化，展示了緊湊表面貼裝開(kāi)關(guān)的可行性。由此，這些系列器件的各種額定導(dǎo)通電阻在5-60毫歐之間，適合從幾百瓦到數(shù)千瓦的相對(duì)高功率水平應(yīng)用；包括AC/DC電源、電池充電器、電視和便攜式充電站，以及替代能源、數(shù)據(jù)通信和一般工業(yè)應(yīng)用中的功率轉(zhuǎn)換。
在電路保護(hù)應(yīng)用中，TOLL封裝的SiC FET將在電動(dòng)車充電器、電池關(guān)斷電路，和建筑電氣智能面板中找到用武之地——這些電氣智能面板正變得更加智能，以提供動(dòng)態(tài)負(fù)載管理。得益于Qorvo SiC FET的小尺寸/高性能指標(biāo)，它們可以被考慮用于空間有限的終端應(yīng)用。在此種情況下，與使用其它技術(shù)的高導(dǎo)通電阻器件相比，其需要更少的散熱裝置，并產(chǎn)生一個(gè)整體系統(tǒng)成本更低且功率密度更高的解決方案。當(dāng)需要并聯(lián)多個(gè)替代器件以實(shí)現(xiàn)與SiC FET相同的電氣和熱性能時(shí)，情況更是如此——后者將產(chǎn)生額外的器件成本，以及處理和安置的費(fèi)用。
結(jié)論
一個(gè)寬帶隙半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)的優(yōu)劣取決于其封裝。現(xiàn)在，共源共柵結(jié)構(gòu)SiC FET有了TOLL版本，可以利用其低損耗來(lái)進(jìn)一步提升系統(tǒng)功率密度。
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參考資料
[1]《基于SiC FET應(yīng)用的實(shí)用PCB布局考慮》，Qorvo
作者：Pete Losee 來(lái)源：Qorvo
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