【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封裝能帶來什么？這正是我們下面要深入探討的問題。
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，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)衡帶來更大的挑戰(zhàn)。但最終，通過平衡這兩個(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，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；此外還通過采用無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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