SiC MOSFET配合SMPDTM绝缘封装尽显优势

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

ISOPLUS - SMPD^TM SMPD的全名是安装功率器件(Surface Mount Power Device)，由Littelfuse公司旗下的IXYS（现在是的一部分）开发，是先进的顶部散热绝缘封装技术，为设计工程师简化了处理功率半导体系统集成和安装的方式。

SMPD可用于标准拓扑结构，如降压、升压、桥臂(phase-leg)，甚至是定制的组合。它们可用于各种技术产品，如Si/SiC MOSFET、IGBT、二极管、晶闸管、三端双向可控硅，或定制组合，具有从40V到3000V不同电压等级。SMPD具有几项关键优势：

·集成DCB绝缘，可在功率和温度循环下提供最佳的可靠性。

·在器件中优化DCB空间的使用，提高功率密度，简化热管理。

·允许标准回流焊，便于制造。

·IXYS专有DCB结构具有最低2.5kV绝缘电压。

<<图1：ISOPLUS SMPD^TM内部结构和尺寸>>

SiC MOSFET配合SMPD器件组成功率级架构的设计示例

Littelfuse的SMPD可用于标准的功率电子器件。下图是使用SMPD的22kW AFE转换器，假设开关频率55kHz，直流输出750V，交流输入380V，散热器温度65℃。设计人员只要在AFE转换器中使用SMPD，便可以提高36%的功率能力，并且减少器件数量。与基于TO-247-3L/TO-247-4L并且使用相同芯片的设计相比，基于SMPD的设计可以把PCB面积减少57%。

<<图8：使用SMPD的22kW AFE设计示例>>

基于SiC的SMPD具有优于标准分立器件的性能

为了解Littelfuse SMPD所提供的优势，我们使用Littelfuse的动态特性分析平台，在基于碳化硅（SiC）MOSFET的SMPD和标准分立封装之间进行动态测量。我们比较了MOSFET开关参数，如开关时间T_sw和开关能量E_sw，以及二极管开关参数，如反向恢复时间t_rr、最大反向电流I_rm和反向恢复能量E_rr。

<<图2：双脉冲测试装置和动态特性分析平台>>

我们将一个1200V的SiC SMPD器件与具有相近导通电阻R_DS(ON)，在栅极至源极工作电压(V_GS)方面采用相近技术的标准分立封装器件进行比较。

<<图3：以SiC MOSFET为特征的器件比较>>

比较结果表明，带有开尔文源的SMPD的封装电感较低，减少了栅极振荡，并且加快了栅极的充电速度。导通期间的漏极电流比较表明，尽管TO-247-4L和TO-263-7L封装器件具有相近的沟道电阻R_DS(ON)和相近技术MOSFET芯片，但其尖峰电流却高出约25%。因此，最大反向恢复电流I_rm值较高，使得这些器件的体二极管能够耐受较大的应力。此外，虽然尽管SMPD和TO-247-3L封装中的芯片相同，但SMPD器件的di/dt和反向恢复时间都更好，不仅提高了整个系统的效率，还可以减少体二极管的损耗。

<<图4：SMPD和标准TO封装器件的波形比较>>

我们也比较了SMPD和标准分立器件的相关参数

<<图5：SMPD和标准分立器件的相关参数比较>>

从测量结果看来，SMPD的所有动态参数都高于标准分立封装。尽管在SMPD和TO-247-3L封装使用相同的芯片，但SMPD在应用中的性能明显更胜一筹。假设应用的开关频率为80kHz，漏极到源极电压为800V，SMPD在50%负载条件下可减少21%的开关损耗，在80%负载条件下可减少18%的损耗。在重载下，虽然TO-263-7L器件的性能与SMPD不相伯仲，但TO-263-7L器件需要一个绝缘金属基板PCB，这不仅限制了PCB的层数和增加了设计复杂性，并且成本高出50%。SMPD则提供开尔文源极脚(S)和最小化的封装级杂散电感，从而优化了性能、效率和功率密度，并易于使用标准PCB进行制造，而简化的热设计和回流焊接能力也是SMPD的优势。在50%负载下，SMPD降低损耗的性能更出色，优于所有其他分立器件。

SMPD封装SiC MOSFET

<<图6：安装在带有标准负载电路PCB上的SMPD>>

SMPD在应用中具有多种优势

§最大限度地减少了封装的相互寄生电感和耦合电容。

§最大限度地减少了损耗，提高了效率。SMPD还将结温Tvj保持在低水平，从而简化了热设计。

§基于DCB的绝缘封装，减化了安装和热设计[1] 。

§由于独立的开尔文源极脚(S)，栅极驱动路径与负载电路分离。负载电流没有负反馈到栅极回路中，这改善了EMI，并减少了寄生导通的风险。

§大部分杂散电感Ls被排除在栅极环路之外，实现了更快的开关速度，不仅降低了损耗，还提高了效率，并减少了栅极振荡。

下图描述了与标准TO封装相比，使用SMPD优化功率环路的情形。

<<图7：与标准分立器件相比，使用SMPD的功率环路更短>>

总结

一般来说，功率模块虽然包含完整的拓扑结构，但封装处理要求较为复杂；然而，功率半导体分立器件的标准封装却没有考虑到特定拓扑结构的需求。幸好Littelfuse的先进绝缘封装技术SMPD同时具备功率模块的性能和分立器件的灵活性，填补了模块和分立器件之间的空白。

在测试中， SMPD的优势显而易见。SMPD可以减少安装，节省空间，提供DCB绝缘，提高功率密度和效率；同时与标准分立封装相比，还可以简化热设计。SMPD封装还允许集成传感器件，例如NTC热敏电阻，以便对半导体进行温度监测，或者使用分流电阻来测量器件电流。Littelfuse网页上提供了Littelfuse SMPD产品系列的信息 [2]。

参考资料

[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