使用最新的SiC FET封装选项提高车载充电器性能

在电动汽车中，功率转换效率是解决续航里程和充电时间问题的关键。为了最大限度地提高效率，交流输出牵引逆变器很少在 10 kHz 以上运行，因为在较高频率下无源组件尺寸几乎没有增益。然而，具有直流输出和大型磁性元件的车载充电器 (OBC) 可以通过在更高频率下切换而受益于减小的尺寸和成本。为避免随之而来的动态损耗增加和效率降低，通常使用 MOSFET，而使用碳化硅的宽带隙 (WBG) 器件仍可提供更低的损耗。

SiC WBG 技术中表现最好的是 SiC FET，它由 UnitedSiC 开创，现在是 Qorvo 的一部分。该器件是 SiC JFET 和硅 MOSFET 的常关共源共栅组合，在所有竞争技术中具有最佳品质因数 (FoM)。FOM RdsA 是特定电压等级器件的导通电阻和芯片面积的乘积，就是一个例子，图 1 显示了 SiC FET 的比较情况。

图 1：与竞争技术相比，SiC FET 的品质因数 RdsA

由于其快速开关和低损耗体二极管，SiC FET 在硬开关拓扑中表现出色，例如 OBC PFC 前端，通常是图腾柱布置或“有源前端”，具有高效率和双向能力. 如果不需要反向功率流，Vienna 整流器很常见，它使用额定电压较低的晶体管，即使在 800V 总线应用中也是如此，并且还受益于使用具有超低导通损耗的 SiC FET。

在 OBC DC/DC 转换阶段，SiC FET 也是理想的选择。该级通常是软开关 LLC 或 CLLC 拓扑，后者非常适合双向功率转换。

SiC FET 封装选项

由于可用空间，需要权衡的是导热垫尺寸——TO247 为 176 mm 2，而 D2PAK-7L 为 43 mm 2。这会影响从结到冷却液的整体热阻。表 1 比较了两种封装类型的热芯片焊盘尺寸、引线电感以及爬电距离和间隙。表 2 显示了使用 TO247-4L 为两个 SiC FET 器件和不同陶瓷隔离器材料实现的结到外壳、结到冷却流体以及外壳到流体的热阻数据。表 3 显示了具有两种不同 IMS 电介质厚度和相关热导率的 D2PAK-7L SiC FET 从结到外壳、结到流体以及外壳到流体的热阻数据。

表 1：D2PAK-7L 和 TO247-4L 封装物理特性比较

表 2：TO247-4L 封装的热性能与两个 SiC FET 的替代陶瓷隔离器的比较

表 3：D2PAK-7L 封装的热性能与两个 SiC FET 的不同 IMS 电介质厚度的比较

该图表显示了最坏情况下 TO247 的 0.6˚C/W 和 D2PAK-7L 的 1.2˚C/W 在 IMS 上用于 RthCF 以促进结温估计。

在每个应用中最重要的是结温升高和效率，受传导和动态损耗的影响。然而，损耗随着结温而增加，因此这两种效应是相互依赖的。即便如此，对于给定的标称导通电阻，两种封装中器件的开关损耗与负载电流有着复杂的关系，如图 2 所示。

图 2：使用采用 TO247-4L 和 D2PAK-7L 封装的 750-V 第 4 代 SiC FET 的 400-V 总线的示例开关损耗 E SW (µJ) 与电流的关系，器件具有相同的 25°C 导通电阻

Qorvo FET-Jet 计算器为您完成工作

由于存在如此多的相互依赖性和变量，因此预测特定电源转换电路的整体效率非常复杂。但是，Qorvo (UnitedSiC) 在线、免费使用的 FET-Jet 计算器支持 SiC FET，该计算器会自动考虑所有参数，并为用户提供的各种电源电路输出效率、温升和损耗水平- 指定的条件。一个例子可以说明计算器的功率：图 3 是图腾柱 PFC 级的轮廓电路，由 230 VAC 供电，额定功率为 6.6 kW，400 VDC 总线在“硬开关”连续导通模式下运行。快腿设备以 75 kHz 切换，慢腿设备以线路频率切换。两条快腿与每个位置的单个设备交错，慢腿也有每个位置的单个设备。

图 3：概述交错图腾柱 PFC 拓扑

表 4 显示了来自 FET-Jet Calculator 的每个快速支路开关的计算损耗和峰值结温，适用于一系列 SiC FET 器件。当所有因素及其相互作用相结合时，两种封装类型之间实现的半导体效率差异很小。SMD 封装的峰值结温更高但仍然合理，特别是考虑到 SiC 固有的高温稳健性。

表 4：TO247-4L 和 D2PAK-7L 封装中的 SiC FET 器件在图 3 的示例 PFC 级中每个快速支路开关的损耗和峰值结温

软交换拓扑也有同样的好处

图腾柱 PFC 级是在连续导通模式下运行时硬开关拓扑的一个示例，这是限制组件应力所必需的。软开关电路的一个示例是 CLLC 拓扑，通常用于 EV OBC DC/DC 转换级（图 4）。

图 4：CLLC DC/DC 转换器的外形

在此电路中，额定功率为 6.6 kW，开关频率为 300 kHz，总线为 400-VDC，热假设与 PFC 示例相同，FET-Jet 计算器得出表 5 的结果。这些结果表明，在其他可比的 SMD 和通孔器件之间的器件效率，并且峰值结温仅相差几度。在实践中，SiC FET 还可以在系统的其他地方节省效率——例如，在栅极驱动电路中，由于总栅极电荷和所需的小电压摆幅，以及在任何缓冲器中，与所需的那些相比，它的耗散非常少对于较大的 Si MOSFET 和 IGBT。

表 5：图 4 示例 CLLC 阶段中 TO247-4L 和 D2PAK-7L 封装的 SiC FET 器件的开关损耗和峰值结温

表面贴装开关可用于 22 kW Vienna 整流器级

作为最后一个示例，Vienna 整流器如图 5 所示。该电路在 22 kW、40 kHz 开关频率和 800 VDC 总线下进行了评估。同样，假设与前面的示例一样，外壳到环境的热阻相同。750-V SiC FET 可与 1,200-V SiC 二极管（UJ3D1250K2 类型）一起使用。表 6 显示了 FET-Jet 计算器的结果，在这个功率水平下，TO247-4L 封装的更好的热性能是显而易见的。然而，如果使用具有低导通电阻的器件，D2PAK-7L 封装仍然是完全可行的，性能最好的封装将峰值结温限制在 100˚C 以下。

图 5：Vienna 整流器 PFC 和整流级概述

表 6：TO247-4L 和 D2PAK-7L 封装中的 SiC FET 器件在图 5 示例 Vienna 整流器级中的开关损耗和峰值结温

结论

分析表明，在多千瓦级别的 EV 车载充电器的所有转换阶段，与 TO247-4L 封装相比，Qorvo 的 SiC FET D2PAK-7L 器件具有出色的性能，尤其是导通电阻最低的变体。使用表面贴装器件可显着节省组装和相关硬件成本，以及 SiC FET 带来的广泛其他优势，例如一流的 FOM、易于栅极驱动、超低损耗体二极管和从高雪崩和短路额定值固有的坚固性。

审核编辑：汤梓红