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Silicon Carbide

新型 SBD 和 MOSFET 封装大幅缩减尺寸,提升功率密度

Mar 21, 2022
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几乎在任何应用中,尺寸如同效率一样重要。例如,在企业数据中心中,很大一部分前期成本来自机房租用,而且电费占据大部分运营成本。在各种工业电源和电机驱动应用中,需要在尺寸、重量、效率和成本之间仔细权衡才能取得成功。

事实上,提高功率密度的压力越来越大。使用 10 kW/机架的传统数据中心已不足以满足高性能计算、人工智能和机器学习等终端应用的要求i

Infographic showing how the QFN takes up less space than the TOL-263-2
图 1:与 TO-263-2(左)相比,QFN 8 × 8(右)的面积减少 60%,高度减少 80%。

工业应用也呈现类似趋势,对更小尺寸、更轻重量和更低冷却要求的需求日益增加,这就要求更高的效率和功率密度。

与硅相比,宽禁带半导体技术,如 Wolfspeed 的碳化硅(SiC)MOSFET 和肖特基势垒二极管(SBD)可为电源设计人员带来诸多优势。更低的传导和开关损耗提高了效率,高频工作有助于减小电感、电容和变压器等无源元件的尺寸。其高耐结温能力支持采用更小的热管理解决方案。Wolfspeed 产品支持 650 V 或更高的阻断电压,有助于减少高压应用中所需的开关器件数量。

最终结果是以更低的系统级成本提升系统级效率和功率密度。

封装的重要性

然而,这些优势也为封装技术带来了压力,封装技术需要支持而不是阻碍器件性能。常见的封装技术挑战包括:

  • 控制寄生效应
  • 在不牺牲散热性能的情况下减小封装尺寸

为了满足市场对高功率密度的需求,Wolfspeed 开发了更小尺寸的全新表贴封装的分立 SiC 肖特基二极管和 MOSFET。Wolfspeed 现可提供 QFN 8 × 8 封装的第六代650V 耐压的SIC肖特基二极管,采用无引线(TOLL)封装的第三代 SiC  MOSFET也可提供样品,比其他 TO-247-3、TO-247-4 和 TO-263-7 封装尺寸要小得多。

传统的通孔封装(如TO-247)会使一些大批量系统生产商面临自动化装配的挑战。如果电路板上的所有器件都采用表面贴装(SMD),则只需一个自动化步骤即可完成组装。这可显著降低生产成本。

8 × 8 QFN 中的肖特基二极管

与封装 ID 为“G”的标准 TO-263 2L 相比,封装 ID 为“Q”的QFN封装二极管(C6D06065QC6D08065QC6D10065Q)的尺寸缩小了 60%( 1)。与 TO-263 2L 或 D2PAK 相比,新款 QFN 8x8 器件的高度降低了 80%。总的来说,体积的减少使 QFN 非常有利于低高度限制的应用。

Wolfspeed SiC SBD 技术还能实现 1.27 V(25 ˚C 时)和 1.37 V(175 ˚C 时)的低正向压降(VF),从而降低正向导通损耗。这使得设计人员可以在 Boost PFC 变换器等应用中实现最高的系统级效率。

QFN 封装具有较低的引线电感,这对于降低系统的开关损耗和实现高频开关而言至关重要。通过提高开关频率,这些器件能够实现更高的功率密度。QFN 封装还集成有底部冷却式高效散热管理(图 2)。

Product image and electrical diagram showing QFN's cooling ensures thermal management.
图 2:尽管更小的体积使 PFC 升压拓扑(右)具有高功率密度,但新型 QFN 的底部冷却可确保实现高效散热管理。

QFN封装所有器件都满足适合于400 V电压系统的爬电距离要求。这些器件可提供 6 A、8 A 和 10 A 的连续正向电流(IF)额定值,结壳热阻(Rθ, JC)低至 1.4 ˚C/W。

TOLL 封装碳化硅 MOSFET

表贴 TOLL 是一种创新型封装,业内通常用于高电流、高功率密度应用。Wolfspeed 工业级650 V TOLL封装SiC MOSFET尺寸明显低于其他封装(图 3)。标准 TO-263-7L 的尺寸为 151.5 mm2,高度为 4.30 mm,与之相比,TOLL 器件的尺寸为 113 mm2,高度为 2.2 mm。这意味着尺寸减少了近 25%,高度更是减少了 50%。

Infographic showing the dimensions of Wolfspeed's C3M MOSFET products.
图 3:Wolfspeed® 碳化硅 C3M™ MOSFET 提供多种封装选项。右图为体积显著缩小的 TOLL 封装(即将推出)。

Wolfspeed 的 TOLL 封装更低电感特性让设计人员可以使用更低的外部栅极驱动电阻,这不仅可以降低开关损耗,还有助于避免关断期间的峰值电压过冲。因此,这些器件非常适合高开关频率应用,有助于减小磁性元件的尺寸从而提高功率密度。

为了满足该尺寸封装的热管理要求,新的 TOLL 器件采用更大的背面金属焊盘,有助于降低器件结温 (Tjmax)。在热仿真中,如 4 所示,5000 W/m2K 对流冷却条件下测试了28 W功耗的散热表现。与 TO-263-7L 的 175 ˚C 相比,TOLL 器件可以将 Tjmax 保持在 152 ˚C 的较低温度,因此,采用TOLL封装的设计只需更少的散热管理,从而为应用带来成本、空间和重量方面的优势。

TOLL 器件的最小爬电距离为 3.5 mm(D-S),非常适合约 400VDC 工作电压。MOSFET PC3M0045065L、PC3M0060065L 和 PC3M0120065L 提供 45 mΩ、60 mΩ 和 120 mΩ 三种 RDS(ON) 选项,额定漏极电流(ID)分别为 50 A、36 A 和 21 A。

Illustrated results from thermal simulations showing TOLL MOSFETs heat dissipation capabilities.
图 4:散热仿真证实了 TOLL 封装 MOSFET 具备卓越的散热能力。

该特性使得这些开关适合各种应用,包括服务器/电信电源、消费/计算/工业 SMPS、太阳能逆变器、电动机、轻型电动汽车、电池充电器和家用电器。

采用散热性能更好、体积更小的器件

Wolfspeed 的新型 SMD 功率器件不仅节省了宝贵的应用空间,而且散热效率更高,有助于降低生产成本和散热解决方案成本、提高功率密度。

访问 Wolfspeed 的 650 V 碳化硅肖特基二极管碳化硅 MOSFET 产品页面,寻找最符合您设计目标的器件。


[i] Data Centre Dynamics Ltd,提高密度:新的数据中心现实。来源 https://www.datacenterdynamics.com/en/opinions/increasing-density-the-new-data-center-reality/

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