新型 SBD 和 MOSFET 封裝大幅縮減尺寸，提升功率密度

幾乎在任何應用中，尺寸如同效率一樣重要。例如在企業資料中心，很大一部分前期成本來自機房租用，而且電費佔據大部分運營成本。在各種工業電源和電機驅動應用中，需要在尺寸、重量、效率和成本之間仔細權衡才能取得成功。 事實上，提高功率密度的壓力越來越大。使用 10 kW/機架的傳統資料中心已不足以滿足高性能計算、人工智慧和機器學習等終端應用的要求ⁱ。

工業應用也呈現類似趨勢，對更小尺寸、更輕重量和更低冷卻要求的需求日益增加，這就要求更高的效率和功率密度。

與矽相比，寬能隙半導體技術，如 Wolfspeed 的碳化矽（SiC）MOSFET 和肖特基勢壘二極體（SBD）可為電源設計人員帶來諸多優勢。更低的傳導和開關損耗提高了效率，高頻工作有助於減小電感、電容和變壓器等無源元件的尺寸。其高耐結溫能力支持採用更小的熱管理解決方案。Wolfspeed 產品支援 650 V 或更高的阻斷電壓，有助於減少高壓應用中所需的開關元件數量。最終結果是以更低的系統級成本提升系統級效率和功率密度。

封裝的重要性

然而，這些優勢也為封裝技術帶來了壓力，封裝技術需要支援而不是阻礙元件性能。常見的封裝技術挑戰包括：

• 控制寄生效應
• 在不犧牲散熱性能的情況下減小封裝尺寸

為了滿足市場對高功率密度的需求，Wolfspeed 開發了更小尺寸的全新表貼封裝的分立 SiC 肖特基二極體和 MOSFET。Wolfspeed 現可提供 QFN 8 × 8 封裝的第六代650V 耐壓的SIC肖特基二極體，採用無引線（TOLL）封裝的第三代 SiC  MOSFET也可提供樣品，比其他 TO-247-3、TO-247-4 和 TO-263-7 封裝尺寸要小得多。

傳統的通孔封裝（如TO-247）會使一些大批次系統生產商面臨自動化裝配的挑戰。如果電路板上的所有元件都採用表面貼裝（SMD），則只需一個自動化步驟即可完成組裝。這可顯著降低生產成本。

8 × 8 QFN 中的肖特基二極體

與封裝 ID 為“G”的標準 TO-263 2L 相比，封裝 ID 為“Q”的QFN封裝二極體（C6D06065Q、C6D08065Q 和 C6D10065Q）的尺寸縮小了 60%（圖 1）。與 TO-263 2L 或 D2PAK 相比，新款 QFN 8x8 元件的高度降低了 80%。總的來說，體積的減少使 QFN 非常有利於低高度限制的應用。

Wolfspeed SiC SBD 技術還能實現 1.27 V（25 ˚C 時）和 1.37 V（175 ˚C 時）的低正向壓降（V_F），從而降低正嚮導通損耗。這使得設計人員可以在 Boost PFC 變換器等應用中實現最高的系統級效率。

QFN 封裝具有較低的引線電感，這對於降低系統的開關損耗和實現高頻開關而言至關重要。通過提高開關頻率，這些元件能夠實現更高的功率密度。QFN 封裝還集成有底部冷卻式高效散熱管理（圖 2）。

QFN封裝所有元件都滿足適合於400 V電壓系統的爬電距離要求。這些元件可提供 6 A、8 A 和 10 A 的連續正向電流（I_F）額定值，結殼熱阻（R_{θ, JC}）低至 1.4 ˚C/W。

TOLL 封裝碳化矽 MOSFET

表貼 TOLL 是一種創新型封裝，業內通常用於高電流、高功率密度應用。Wolfspeed 工業級650 V TOLL封裝SiC MOSFET尺寸明顯低於其他封裝（圖 3）。標準 TO-263-7L 的尺寸為 151.5 mm²，高度為 4.30 mm，與之相比，TOLL 元件的尺寸為 113 mm²，高度為 2.2 mm。這意味著尺寸減少了近 25%，高度更是減少了 50%。

Wolfspeed 的 TOLL 封裝更低電感特性讓設計人員可以使用更低的外部柵極驅動電阻，這不僅可以降低開關損耗，還有助於避免關斷期間的峰值電壓過沖。因此，這些元件非常適合高開關頻率應用，有助於減小磁性元件的尺寸從而提高功率密度。

為了滿足該尺寸封裝的熱管理要求，新的 TOLL 元件採用更大的背面金屬焊盤，有助於降低元件結溫 （T_jmax）。在熱模擬中，如圖 4 所示，5000 W/m²K 對流冷卻條件下測試了28 W功耗的散熱表現。與 TO-263-7L 的 175 ˚C 相比，TOLL 元件可以將 T_jmax 保持在 152 ˚C 的較低溫度，因此，採用TOLL封裝的設計只需更少的散熱管理，從而為應用帶來成本、空間和重量方面的優勢。

TOLL 元件的最小爬電距離為 3.5 mm（D-S），非常適合約 400VDC 工作電壓。MOSFET PC3M0045065L、PC3M0060065L 和 PC3M0120065L 提供 45 mΩ、60 mΩ 和 120 mΩ 三種 R_DS(ON) 選項，額定漏極電流（I_D）分別為 50 A、36 A 和 21 A。

該特性使得這些開關適合各種應用，包括伺服器/電信電源、消費/計算/工業 SMPS、太陽能逆變器、電動機、輕型電動汽車、電池充電器和家用電器。

採用散熱性能更好、體積更小的元件

Wolfspeed 的新型 SMD 功率元件不僅節省了寶貴的應用空間，而且散熱效率更高，有助於降低生產成本和散熱解決方案成本、提高功率密度。
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特色產品

ⁱ Data Centre Dynamics Ltd, Increasing density: the new data center reality. Source: https://www.datacenterdynamics.com/en/opinions/increasing-density-the-new-data-center-reality/