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电源器件集成碳化硅(SiC) MOSFET技术,性能与功率密度皆提升

2022-06-20 15:12:58 Maurizio Di Paolo Emilio 阅读:
电源应用正转向更小占位面积、更高效率的解决方案;为提高功率密度,让器件能够放进更小的封装里,SiC是用来取代硅材料电源分立器件和模块的理想候选技术。

美国业者Apex Microtechnology开发出一系列集成了碳化硅(SiC) MOSFET技术的器件,号称在性能与功率密度方面都有所提升。OICednc

电源应用正转向更小占位面积、更高效率的解决方案;为提高功率密度,让器件能够放进更小的封装里,SiC是用来取代硅材料电源分立器件和模块的理想候选技术。因为它们拥有较佳的特性,SiC MOSFET被广泛用于需要高开关频率、高电压、大电流与高效率的电源应用。OICednc

此外SiC器件能在高于硅器件可承受的结温下运作,这得前者能实现更好的散热管理,而这也是另一个在缩小芯片尺寸时可利用的优势。OICednc

以硅为基础的大功率分立器件和模块,通常需要以大体积散热片为基础的冷却解决方案,这影响了整体解决方案的尺寸。另一方面,SiC能在不需要为散热管理妥协的前提下,提供以更小占位面积实现前所未见的高功率密度的机会。OICednc

相较于硅材料,SiC具备许多优势,例如在同样温度和电流水平下,后者的导通电阻较低;低RDS(on)会带来较佳的电流对电压性能和较低的开关损耗。尽管SiC的成本高于硅材料,但是较低的热负载、更简单的散热以及更高的可靠性,弥补了此一缺点。OICednc

以上述考虑为出发点,为一系列工业、测试与测量、医疗、航天、半导体资本设备(Semi-cap)与军事等应用提供单片式、混合及开放性架构模拟电源解决方案的供货商Apex,利用SiC的特性开发出数款新产品,包括集成了栅极驱动器的半桥式开关模块SA110,以及同样集成栅极驱动器的三相电源开关模块SA310。OICednc

适当的设计能有效地突显SiC的所有特性;Apex在设计大功率器件时谨慎地考虑了寄生效应(会超过导通电阻),以及走线电感和电阻。图1显示Apex SA310KR组件的方块图,那是一款以SiC为基础,集成栅极驱动器的三相电源模块。OICednc

在设计这款SiC基功率器件的过程中,Apex面临的最大的挑战之一是MOSFET驱动器和MOSFET栅极驱动器的合封(co-packaing)。由于高开关频率——这是由SiC提供的主要功能之一,其电流摆率(di/dt)是很高的——需要在PCB布线时特别仔细,以避免可能的噪声形成,或是相邻走线间的相互干扰/串扰。OICednc

OICednc

图1:SA310KR的方块图。(来源:Apex Microtechnology)OICednc

此外,在高开关频率下,集肤效应不可忽视——这会导致封装的输出/输入连接的有效横截面积缩减,以及提高电阻。而Apex利用在衬底上的一种先进厚膜技术,双重印刷走线以增加其厚度、降低阻抗,解决了那些潜在问题。OICednc

Apex合封解决方案的另一个优势,是将栅极驱动器放在很靠近SiC MOSFET的地方,因此降低栅极的电感效应,这在较高开关频率下的效果会变得相当显著。根据Apex 的说法,通过对散热路径、封装和材料的重视,该公司已经能够实现卓越的散热管理——举例来说,SA110在-40℃到125℃的温度范围内运作时,耗散的功率为89W。OICednc

以较小占位面积12引脚Power SIP (DP)形式供应的SA110,具备集成的栅极驱动控制、非常高(达400kHz)的开关频率,以及在A级版本中28A的连续输出电流。该器件适合诸如AC/DC和DC/DC转换器、功率因数校正(PFC)和电机驱动等应用。OICednc

SA310采用16引脚Power DIP (KR)封装,集成了三个独立、隔离的半桥,在直接微控制器或数字信号控制器(DSC)控制下,提供最高达80A的尖峰输出电流。SA310采用热传导、电气绝缘衬底,提供了最大多功能性且易于散热,能满足诸如电机控制(BLDC)、变频驱动、DC/AC转换器、电源逆变器、测试设备和磁共振成像(MRI)主线圈电源供应器等应用需求。OICednc

上述两款器件都具备保护功能,例如欠压锁定功能和有源米勒钳位,以降低开关噪声、提升可靠性。OICednc

最近Apex还发表了一款采用SiC的大功率半桥模块SA111,以小巧专利PQ封装提供高水平功率密度。该模块(参考图2)采用面积仅20×20mm的SMD封装,能提供32A的连续输出电流,处理最高达650V的电源电压,并实现最高为1MHz (维持在安全运作范围)的开关频率。该表面贴装封装具备高散热效率,从顶部冷却,这让用户能优化电路板布局,将散热片直接放在器件顶部。OICednc

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图2:新推出的Apex SA111。 (来源:Apex Microtechnology)OICednc

该款SiC半桥电源模块是MRI梯度线圈驱动、磁性轴承、电机驱动、测试设备、服务器风扇、PFC,以及AC/DC、DC/DC转换器等应用的理想解决方案。SiC MOSFET亦能让SA111承受较高的热应力、处理高达175℃的结温。OICednc

SA111 SiC电源模块配备了集成栅极驱动器,欠压锁定和有源米勒钳位,号称是强化了器件控制和保护的完全集成解决方案。SiC大幅改善了散热管理,因为产出的热较少,模块本身散热需求也较小,模块尺寸也能更小;采用该模块的电源供应器也能更小、发热较少且更便宜。OICednc

拜其表面贴装封装和特别小的占位面积之赐,SA111能够让设计工程师充分利用电路板面积,允许在高功率密度需求的电路设计上采用多个器件。SA111PQ的样品现在已经能提供给符合资格的客户应用,预计在2022年夏天进行大规模量产。OICednc

(参考原文:SiC Enables High–Power Density in a Compact Package,By Maurizio Di Paolo Emilio;本文同步刊登于《电子工程专辑》杂志20226)OICednc

责编:Demi
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Maurizio Di Paolo Emilio
Maurizio Di Paolo Emilio拥有物理学博士头衔,也是一名电信工程师和记者。 他曾参与引力波研究领域的各种国际项目,曾与研究机构合作设计空间应用数据采集和控制系统。 他的几本著作曾在斯普林格出版社出版过,并撰写过许多关于电子设计的科学和技术出版物。
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