【導(dǎo)讀】每隔一段時(shí)間便會(huì)偶爾出現(xiàn)全新的半導(dǎo)體開關(guān)技術(shù)；當(dāng)這些技術(shù)進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生巨大的影響。使用碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等寬帶隙材料的器件技術(shù)無(wú)疑已經(jīng)做到了這一點(diǎn)。與傳統(tǒng)硅基產(chǎn)品相比，這些寬帶隙技術(shù)材料在提升功率轉(zhuǎn)換效率和縮減尺寸方面都有了質(zhì)的飛躍。
憑借SiC在縮減尺寸方面的全新能力，Qorvo的SiC FET技術(shù)用于采用TO-Leadless（TOLL）封裝的750V器件開發(fā)，并擴(kuò)大了其領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。那么，如此小巧的TOLL封裝能帶來(lái)什么？這正是我們下面要深入探討的問(wèn)題。
封裝因素
與TO-247和D2PAK相比，TOLL封裝的體積縮小了30%，高度降低了一半，僅為2.3毫米。因此，就尺寸而言，其顯著優(yōu)于TO-247和D2PAK標(biāo)準(zhǔn)封裝。除了這些品質(zhì)外，Qorvo的SiC-FET還為客戶的整體最終設(shè)計(jì)提供了其它關(guān)鍵因素。下面我們將對(duì)此做簡(jiǎn)要介紹。
權(quán)衡考慮
與任何半導(dǎo)體技術(shù)一樣，設(shè)計(jì)工程師在創(chuàng)建應(yīng)用時(shí)必須對(duì)參數(shù)的權(quán)衡加以考慮。任何設(shè)計(jì)工程師所能期望的最好結(jié)果就是找到一個(gè)最佳的中間地帶。事實(shí)上，Qorvo的SiC-FET具有業(yè)內(nèi)最低的 RDS(ON)。更低的RDS(ON)允許使用較小的封裝獲得較高的額定電流。因此，通過(guò)減小尺寸，我們可以在TOLL封裝內(nèi)放置一個(gè)750V SiC-FET。
RDS(ON)與效率的關(guān)系：
● 所有FET在傳導(dǎo)過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生一定的功率損耗。傳導(dǎo)中的功率損耗與額定RDS(ON)值成正比；這種損耗等效于系統(tǒng)效率的下降。通常情況下，要達(dá)到較低的RDS(ON)，就需要增大FET的尺寸；然而，這就相當(dāng)于在降低傳導(dǎo)損耗的同時(shí)，增大了半導(dǎo)體尺寸（見下圖1）。而增大FET尺寸便意味著增加了成本和開關(guān)損耗。顯然，成本和RDS(ON)之間存在著折衷。就Qorvo的SiC-FET而言，由于元件的整體尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手SiC、硅或GaN功率技術(shù)產(chǎn)品，因而能夠?qū)⑦@種折衷降至最低（見圖3 左圖）。
圖1：RDS(ON)與Eon和Eoff間的權(quán)衡
● 如上圖所示，不僅在RDS(ON)和尺寸間存在權(quán)衡取舍，開關(guān)能量和RDS(ON)之間也是如此。隨著器件RDS(ON)的增加，開關(guān)能量（Eon和Eoff）也會(huì)增加；也就是說(shuō)，當(dāng)RDS(ON)和傳導(dǎo)損耗走向更低的方向，Eon和Eoff開關(guān)損耗也會(huì)增加。在電動(dòng)車DC/DC轉(zhuǎn)換器或功率因數(shù)校正（PFC）解決方案等硬開關(guān)應(yīng)用中，這兩個(gè)參數(shù)間的權(quán)衡帶來(lái)更大的挑戰(zhàn)。但最終，通過(guò)平衡這兩個(gè)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的結(jié)果。將Qorvo的SiC-FET與其它電源技術(shù)進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)兩者的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)基本相當(dāng)。
RDS(ON)與FET輸出電容：
● 在電動(dòng)車用DC/DC轉(zhuǎn)換器等軟開關(guān)應(yīng)用中，RDS(ON)與Coss(tr)或FET輸出電容（tr-表示與時(shí)間相關(guān)）間需進(jìn)行權(quán)衡（參見下圖）；器件 RDS(ON)越低，Coss(tr)越大。在軟開關(guān)應(yīng)用中，Coss(tr)是決定FET工作頻率的關(guān)鍵因素。輸出電容越小，工作頻率就越高。在軟開關(guān)應(yīng)用中，則要在這兩個(gè)參數(shù)間做出選擇，以確保系統(tǒng)達(dá)到最佳工作頻率。也就是說(shuō)，如圖 3 右側(cè)所示，Qorvo的SiC-FET技術(shù)在給定Coss(tr)的情況下具有更低的總RDS(ON)，使得Qorvo的SiC-FET技術(shù)在許多軟開關(guān)應(yīng)用中更具優(yōu)勢(shì)。
圖2：RDS(on)和Coss(tr)間的權(quán)衡
如下圖所示，綜合權(quán)衡這些取舍并考慮競(jìng)爭(zhēng)因素后可以看到，較低的RDS(ON)在硬開關(guān)和軟開關(guān)情況下均擁有巨大優(yōu)勢(shì)，而在軟開關(guān)應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)更大。
圖 3：比較25°C和125°C時(shí)650V與750V等級(jí)的SiC技術(shù)
與硅基MOSFET相比，Qorvo SiC-FET在軟開關(guān)應(yīng)用中具有更低的傳導(dǎo)損耗和更高的工作頻率，并且在硬開關(guān)應(yīng)用中開關(guān)損耗也更低。同市場(chǎng)上其它SiC技術(shù)相比，Qorvo SiC-FET具有更高的工作頻率和更低的傳導(dǎo)損耗。
縱觀市場(chǎng)上其它廠商的TOLL封裝產(chǎn)品，我們可以發(fā)現(xiàn)它們?cè)陔妷旱燃?jí)和RDS(ON)參數(shù)方面均落后于Qorvo。這是由于Qorvo的SiC-FET技術(shù)具有同類最佳的特定導(dǎo)通電阻；這意味著可以使用更小的封裝類型，但仍能實(shí)現(xiàn)最低的總電阻。下圖顯示了Qorvo的SiC FET（UJ4SC075005L8S器件）與其它同類最佳TOLL封裝器件、硅基MOSFET、GaN HEMT單元，和SiC MOSFET在25°C和125°C時(shí)的比較。
圖4：TOLL封裝、600-750V等級(jí)、25°C和125°C時(shí)的開關(guān)導(dǎo)通電阻比較。
你沒看錯(cuò)，這個(gè)對(duì)比尺度沒有任何問(wèn)題——SiC FET比最接近的供應(yīng)商好4倍，比TOLL封裝的GaN高約10倍！同樣重要的是，SiC FET的額定電壓為750V，具有強(qiáng)大的雪崩特性。其它器件的額定電壓僅為600/650V，而GaN HEMT單元?jiǎng)t沒有雪崩額定電壓。
如上所述的諸多優(yōu)勢(shì)，同時(shí)在較小的TOLL封裝中采用額定電壓更高的開關(guān)，則意味著更高的成本效益。
最佳應(yīng)用切入點(diǎn)
采用TOLL封裝的SiC-FET功率開關(guān)的重點(diǎn)應(yīng)用場(chǎng)景為功率密度至關(guān)重要的的領(lǐng)域，功率范圍在幾百瓦到10千瓦以上；包括電視、電池充電器和便攜式發(fā)電站中的開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換，以及數(shù)據(jù)通信、太陽(yáng)能，及儲(chǔ)能逆變器中的電源。作為斷路器，這些設(shè)備可用于建筑配電板和電動(dòng)汽車充電器。
空間在許多此類應(yīng)用中非常寶貴，與其它供應(yīng)商相比，TOLL封裝的SiC FET是一種具有成本效益的解決方案，適合在有限的空間內(nèi)使用，所需的散熱片成本也較低；此外還通過(guò)采用無(wú)引線布置和開爾文連接最大限度地減少了連接電感，從而實(shí)現(xiàn)了低動(dòng)態(tài)損耗的快速開關(guān)。
作者：David Schnaufer，Qorvo技術(shù)營(yíng)銷傳播經(jīng)理
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