SiC MOSFET配合SMPDTM絕緣封裝盡顯優(yōu)勢(shì)

作者：Littelfuse公司Aalok Bhatt、Francois Perraud、José Padilla和Martin Schulz

ISOPLUS - SMPD^TM?SMPD的全名是安裝功率器件(Surface?Mount?Power?Device)，由Littelfuse公司旗下的IXYS（現(xiàn)在是的一部分）開(kāi)發(fā)，是先進(jìn)的頂部散熱絕緣封裝技術(shù)，為設(shè)計(jì)工程師簡(jiǎn)化了處理功率半導(dǎo)體系統(tǒng)集成和安裝的方式。

SMPD可用于標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如降壓、升壓、橋臂(phase-leg)，甚至是定制的組合。它們可用于各種技術(shù)產(chǎn)品，如Si/SiC MOSFET、IGBT、二極管、晶閘管、三端雙向可控硅，或定制組合，具有從40V到3000V不同電壓等級(jí)。SMPD具有幾項(xiàng)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：

·集成DCB絕緣，可在功率和溫度循環(huán)下提供最佳的可靠性。

·在器件中優(yōu)化DCB空間的使用，提高功率密度，簡(jiǎn)化熱管理。

·允許標(biāo)準(zhǔn)回流焊，便于制造。

·IXYS專(zhuān)有DCB結(jié)構(gòu)具有最低2.5kV絕緣電壓。

<<圖1：ISOPLUS SMPD^TM內(nèi)部結(jié)構(gòu)和尺寸>>

SiC MOSFET配合SMPD器件組成功率級(jí)架構(gòu)的設(shè)計(jì)示例

Littelfuse的SMPD可用于標(biāo)準(zhǔn)的功率電子器件。下圖是使用SMPD的22kW AFE轉(zhuǎn)換器，假設(shè)開(kāi)關(guān)頻率55kHz，直流輸出750V，交流輸入380V，散熱器溫度65℃。設(shè)計(jì)人員只要在AFE轉(zhuǎn)換器中使用SMPD，便可以提高36%的功率能力，并且減少器件數(shù)量。與基于TO-247-3L/TO-247-4L并且使用相同芯片的設(shè)計(jì)相比，基于SMPD的設(shè)計(jì)可以把PCB面積減少57%。

<<圖8：使用SMPD的22kW AFE設(shè)計(jì)示例>>

基于SiC的SMPD具有優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)分立器件的性能

為了解Littelfuse SMPD所提供的優(yōu)勢(shì)，我們使用Littelfuse的動(dòng)態(tài)特性分析平臺(tái)，在基于碳化硅（SiC）MOSFET的SMPD和標(biāo)準(zhǔn)分立封裝之間進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量。我們比較了MOSFET開(kāi)關(guān)參數(shù)，如開(kāi)關(guān)時(shí)間T_sw和開(kāi)關(guān)能量E_sw，以及二極管開(kāi)關(guān)參數(shù)，如反向恢復(fù)時(shí)間t_rr、最大反向電流I_rm和反向恢復(fù)能量E_rr。

<<圖2：雙脈沖測(cè)試裝置和動(dòng)態(tài)特性分析平臺(tái)>>

我們將一個(gè)1200V的SiC SMPD器件與具有相近導(dǎo)通電阻R_DS(ON)，在柵極至源極工作電壓(V_GS)方面采用相近技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)分立封裝器件進(jìn)行比較。

<<圖3：以SiC MOSFET為特征的器件比較>>

比較結(jié)果表明，帶有開(kāi)爾文源的SMPD的封裝電感較低，減少了柵極振蕩，并且加快了柵極的充電速度。導(dǎo)通期間的漏極電流比較表明，盡管TO-247-4L和TO-263-7L封裝器件具有相近的溝道電阻R_DS(ON)和相近技術(shù)MOSFET芯片，但其尖峰電流卻高出約25%。因此，最大反向恢復(fù)電流I_rm值較高，使得這些器件的體二極管能夠耐受較大的應(yīng)力。此外，雖然盡管SMPD和TO-247-3L封裝中的芯片相同，但SMPD器件的di/dt和反向恢復(fù)時(shí)間都更好，不僅提高了整個(gè)系統(tǒng)的效率，還可以減少體二極管的損耗。

<<圖4：SMPD和標(biāo)準(zhǔn)TO封裝器件的波形比較>>

我們也比較了SMPD和標(biāo)準(zhǔn)分立器件的相關(guān)參數(shù)

<<圖5：SMPD和標(biāo)準(zhǔn)分立器件的相關(guān)參數(shù)比較>>

從測(cè)量結(jié)果看來(lái)，SMPD的所有動(dòng)態(tài)參數(shù)都高于標(biāo)準(zhǔn)分立封裝。盡管在SMPD和TO-247-3L封裝使用相同的芯片，但SMPD在應(yīng)用中的性能明顯更勝一籌。假設(shè)應(yīng)用的開(kāi)關(guān)頻率為80kHz，漏極到源極電壓為800V，SMPD在50%負(fù)載條件下可減少21%的開(kāi)關(guān)損耗，在80%負(fù)載條件下可減少18%的損耗。在重載下，雖然TO-263-7L器件的性能與SMPD不相伯仲，但TO-263-7L器件需要一個(gè)絕緣金屬基板PCB，這不僅限制了PCB的層數(shù)和增加了設(shè)計(jì)復(fù)雜性，并且成本高出50%。SMPD則提供開(kāi)爾文源極腳(S)和最小化的封裝級(jí)雜散電感，從而優(yōu)化了性能、效率和功率密度，并易于使用標(biāo)準(zhǔn)PCB進(jìn)行制造，而簡(jiǎn)化的熱設(shè)計(jì)和回流焊接能力也是SMPD的優(yōu)勢(shì)。在50%負(fù)載下，SMPD降低損耗的性能更出色，優(yōu)于所有其他分立器件。

SMPD封裝SiC MOSFET

<<圖6：安裝在帶有標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電路PCB上的SMPD>>

SMPD在應(yīng)用中具有多種優(yōu)勢(shì)

§最大限度地減少了封裝的相互寄生電感和耦合電容。

§最大限度地減少了損耗，提高了效率。SMPD還將結(jié)溫Tvj保持在低水平，從而簡(jiǎn)化了熱設(shè)計(jì)。

§基于DCB的絕緣封裝，減化了安裝和熱設(shè)計(jì)[1]?。

§由于獨(dú)立的開(kāi)爾文源極腳(S)，柵極驅(qū)動(dòng)路徑與負(fù)載電路分離。負(fù)載電流沒(méi)有負(fù)反饋到柵極回路中，這改善了EMI，并減少了寄生導(dǎo)通的風(fēng)險(xiǎn)。

§大部分雜散電感Ls被排除在柵極環(huán)路之外，實(shí)現(xiàn)了更快的開(kāi)關(guān)速度，不僅降低了損耗，還提高了效率，并減少了柵極振蕩。

下圖描述了與標(biāo)準(zhǔn)TO封裝相比，使用SMPD優(yōu)化功率環(huán)路的情形。

<<圖7：與標(biāo)準(zhǔn)分立器件相比，使用SMPD的功率環(huán)路更短>>

總結(jié)

一般來(lái)說(shuō)，功率模塊雖然包含完整的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但封裝處理要求較為復(fù)雜；然而，功率半導(dǎo)體分立器件的標(biāo)準(zhǔn)封裝卻沒(méi)有考慮到特定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的需求。幸好Littelfuse的先進(jìn)絕緣封裝技術(shù)SMPD同時(shí)具備功率模塊的性能和分立器件的靈活性，填補(bǔ)了模塊和分立器件之間的空白。

在測(cè)試中，?SMPD的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)。SMPD可以減少安裝，節(jié)省空間，提供DCB絕緣，提高功率密度和效率；同時(shí)與標(biāo)準(zhǔn)分立封裝相比，還可以簡(jiǎn)化熱設(shè)計(jì)。SMPD封裝還允許集成傳感器件，例如NTC熱敏電阻，以便對(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，或者使用分流電阻來(lái)測(cè)量器件電流。Littelfuse網(wǎng)頁(yè)上提供了Littelfuse SMPD產(chǎn)品系列的信息?[2]。

參考資料

[1] Application Note: ‘Mounting and Cooling Solutions for SMPD Packages’;?www.littelfuse.com.

[2] Littelfuse SMPD product offering;?https://www.littelfuse.com/products/power-semiconductors.aspx