人們普遍認(rèn)為,SiC MOSFET可以實現(xiàn)非�？斓拈_關(guān)速度,有助于顯著降低電力電子領(lǐng)域功率轉(zhuǎn)換過程中的能量損耗。然而,由于傳統(tǒng)功率半導(dǎo)體封裝的限制,在實際應(yīng)用中并不總是能發(fā)揮SiC元器件的全部潛力。在本文中,我們首先討論傳統(tǒng)封裝的一些局限性,然后介紹采用更好的封裝形式所帶來的好處。最后,展示對使用了圖騰柱(Totem-Pole)拓?fù)涞?.7kW單相PFC進行封裝改進后獲得的改善效果。

　　功率元器件傳統(tǒng)封裝形式帶來的開關(guān)性能限制

　　TO-247N(圖1)是應(yīng)用最廣泛的功率晶體管傳統(tǒng)封裝形式之一。如圖1左側(cè)所示,該器件的每個引腳都存在寄生電感分量。圖1右側(cè)是非常簡單且典型的柵極驅(qū)動電路示例。從這些圖中可以看出,漏極引腳和源極引腳的電感分量會被加到主電流開關(guān)電路中,這些電感會導(dǎo)致器件在關(guān)斷時產(chǎn)生過電壓,因此要想確保過電壓的數(shù)值滿足漏極-源極間技術(shù)規(guī)格的要求,就需要限制器件的開關(guān)速度。

　　圖1:功率元器件的傳統(tǒng)封裝及其寄生電感

　　柵極引腳和源極引腳的寄生電感是柵極驅(qū)動電路中的一部分,因此在驅(qū)動MOSFET時需要考慮這部分電感。此外,這部分電感還可能會與柵極驅(qū)動電路中的寄生電容之間發(fā)生振蕩。當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時,ID增加,并且在源極引腳的電感(Ls)中產(chǎn)生電動勢(VLS)。而柵極引腳中則流入電流(IG),并且因柵極電阻(RG)而發(fā)生電壓降。由于這些電壓包含在柵極驅(qū)動電路中,因此它們會使MOSFET導(dǎo)通所需的柵極電壓降低,從而導(dǎo)致導(dǎo)通速度變慢,見圖2。

　　圖2:LS導(dǎo)致芯片中的VGS降低(導(dǎo)通時)

　　解決這種問題的方法之一是采用具備“驅(qū)動器源極”引腳的功率元器件封裝。通過配備將源極引腳和柵極驅(qū)動環(huán)路分開的驅(qū)動器源極引腳,可以消除導(dǎo)通時的源極電感(LS)對柵極電壓的影響,因此不會因電壓降而降低導(dǎo)通速度,從而可以大大減少導(dǎo)通損耗。

　　TO-263-7L帶來的開關(guān)性能改善

　　除了TO-247-4L封裝外,羅姆還開發(fā)出采用TO-263-7L表貼封裝,使分立SiC MOSFET產(chǎn)品陣容更加豐富。采用TO-263-7L封裝可以實現(xiàn)SiC MOSFET源極引腳的開爾文連接,這種封裝的優(yōu)點如圖3所示。從圖中可以看出,柵極驅(qū)動相關(guān)的部分和主電流路徑不再共享主源極側(cè)的電感LS。因此,可以使器件的導(dǎo)通速度更快,損耗更小。

　　圖3:TO-263-7L表貼封裝及其寄生電感

　　采用TO-263-7L封裝的另一個優(yōu)點是漏極引腳和源極引腳的電感比TO-247N封裝小得多。由于漏極引腳的接合面積大,另外源極引腳可以由多根短引線并聯(lián)連接組成,因此可以降低封裝的電感(LD或LS)。為了量化新封裝形式帶來的元器件性能改進程度,我們比較了采用兩種不同封裝的相同SiC MOSFET芯片的導(dǎo)通和關(guān)斷時的開關(guān)動作(圖4)。

　　圖4:1200V/40mΩ SiC MOSFET的開關(guān)動作比較

　　(TO-247N:SCT3040KL、TO-263-7L:SCT3040KW7、VDS=800V)

　　導(dǎo)通時的開關(guān)瞬態(tài)曲線表明,采用三引腳封裝(TO-247N)的“SCT3040KL”的開關(guān)速度受到限制,其中一個原因是源極引腳的電動勢使有效柵極電壓降低,導(dǎo)致電流變化時間變長,從而造成導(dǎo)通損耗增加。而對于采用具備驅(qū)動器源極的表貼封裝(TO-263-7L)的“SCT3040KW7”來說,電流變化時間則變得非常短,因此可以減少導(dǎo)通損耗。另外,由于寄生電感減少,因此采用TO-263-7L封裝的SiC MOSFET在關(guān)斷時的dI/dt要高得多,因此關(guān)斷損耗也小于TO-247N封裝。

　　下圖展示了兩種封裝實現(xiàn)的開關(guān)損耗與開關(guān)電流之間的關(guān)系。顯然,TO-263-7L封裝器件導(dǎo)通速度的提高有助于降低開關(guān)損耗,尤其是在大電流區(qū)域效果更加明顯。

　　圖5:采用TO-247N封裝和TO-263-7L封裝的1200V/40mΩ SiC MOSFET的開關(guān)損耗比較

　　【柵極驅(qū)動電路:使用了米勒鉗位(MC)和浪涌鉗位用的肖特基勢壘二極管(SBD)】

　　如上述比較數(shù)據(jù)所示,具有可以連接至柵極驅(qū)動環(huán)路的驅(qū)動器源極引腳,并可以減小寄生電感的封裝,器件性能得以發(fā)揮,特別是在大電流區(qū)域中發(fā)揮得更好。所以,在相同的開關(guān)頻率下器件總損耗更小;另外,如果降低損耗不是主要目標(biāo),則還可以增加器件的開關(guān)頻率。

　　新表貼封裝產(chǎn)品的陣容

　　除了上文提到的1200V/40mΩ產(chǎn)品之外,羅姆產(chǎn)品陣容中還包括額定電壓分別為650V和1200V 的TO-263-7L 封裝SiC MOSFET產(chǎn)品(表1)。另外,符合汽車電子產(chǎn)品可靠性標(biāo)準(zhǔn)的車載級產(chǎn)品也在計劃中。

　　表1: TO-263-7L封裝的溝槽SiC MOSFET產(chǎn)品陣容

　　表貼封裝SiC MOSFET在車載充電器(OBC)中的適用性

　　本文將以一個3.7kW單相PFC的電路為應(yīng)用案例來說明表貼封裝SiC MOSFET能夠?qū)崿F(xiàn)的性能。這種功率級單相PFC可用作單相3.7kW車載充電器的輸入級,或用作11kW車載充電系統(tǒng)的構(gòu)件。在后一種情況下,將三個單相PFC通過開關(guān)矩陣相組合,可以實現(xiàn)單相驅(qū)動或最大11kW的三相驅(qū)動。該應(yīng)用案例框圖參見圖6。

　　圖6:多個3.7kW PFC組成的11kW OBC框圖

　　圖7中包括幾種可應(yīng)用的PFC電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)升壓PFC的輸入端存在二極管整流電路,因此其效率提升受到限制。兩相無橋PFC以及圖騰柱PFC可以削減二極管整流電路,從而可以降低總傳導(dǎo)損耗。但是需要注意的是,兩相無橋PFC雖然可實現(xiàn)高效率,卻存在每個橋臂僅在一半輸入周期內(nèi)使用的缺點,因此每個器件的峰值電流與電流有效值之比(即所謂的“波峰因數(shù)”)增高,使功率半導(dǎo)體上的功率循環(huán)壓力很大。

　　圖7:單相PFC的概念圖

　　圖騰柱PFC有兩種不同的類型。最簡單的類型僅包含兩個MOSFET和兩個二極管。由于二極管在低頻下開關(guān),因此選擇具有低正向壓降的器件。另一方面,由于MOSFET中的體二極管用于換流,因此選擇體二極管特性出色的器件是非常重要的。此外,新型寬帶隙半導(dǎo)體(比如SiC MOSFET)具有支持硬開關(guān)的體二極管,因此非常適用于這類應(yīng)用。最后,如果希望盡可能獲得更出色的性能,那么可以用有源開關(guān)(比如SJ MOSFET)來替代低頻開關(guān)二極管,以進一步降低損耗。

　　為了展示利用圖騰柱PFC可以實現(xiàn)的幾種性能,我們實施了仿真。在仿真中,我們對采用TO-263-7L 封裝的650V/60mΩ SiC MOSFET 的開關(guān)損耗測量值進行了驗證。假設(shè)開關(guān)頻率為100 kHz,我們對高頻側(cè)橋臂和低頻側(cè)橋臂的半導(dǎo)體損耗都進行了建模。對于低頻橋臂,由于開關(guān)損耗的影響極小,因此僅考慮了60mΩ產(chǎn)品的導(dǎo)通損耗。

　　仿真結(jié)果如圖8所示。從圖中可以看出,最大效率為98.7%,出現(xiàn)在60%的標(biāo)稱輸出功率附近。該階段的其他損耗沒有建模。當(dāng)然,為了進行全面分析,不僅需要考慮控制電路和柵極驅(qū)動電路,還需要考慮電感和其他無源元件的損耗。然而,很明顯,在使用了650V SiC MOSFET的圖騰柱PFC中,可以實現(xiàn)高性能的PFC電路。

　　圖8:僅考慮半導(dǎo)體損耗的圖騰柱PFC的估算效率

　　(Vin = 230V,Vout = 400V,fSW = 100 kHz,高頻側(cè)橋臂:SCT3060AW7,低頻側(cè)橋臂:60mΩ產(chǎn)品)

　　在本文中,我們確認(rèn)了SiC MOSFET采用具備驅(qū)動器源極引腳的低電感表貼封裝所帶來的性能優(yōu)勢。研究結(jié)果表明,尤其是在大電流條件下,由于柵極環(huán)路不受dI/dt以及源極引腳電感導(dǎo)致的電壓降的影響,因此采用表貼封裝的產(chǎn)品導(dǎo)通損耗大大降低。封裝電感的總體減小還使得SiC MOSFET的關(guān)斷速度加快。這兩個優(yōu)點顯著降低了器件導(dǎo)通和關(guān)斷時的開關(guān)損耗。在系統(tǒng)方面,我們已經(jīng)看到,圖騰柱PFC中采用RDS(ON)為60mΩ的650V SiC MOSFET時的轉(zhuǎn)換效率超過98%,這將有利于實現(xiàn)非常緊湊的設(shè)計,因此可以說,這對于車載充電器等車載應(yīng)用開發(fā)來說是非常重要的關(guān)鍵點。