第4代碳化硅場效應晶體管的應用

Qorvo 的新型 750V 第 4 代 SiC FET

Qorvo （UnitedSiC） 近宣布推出采用新型表面貼裝 TOLL 封裝的 750V/5.4mΩ SiC FET，擴大了公司的性能地位，并擴大了其突破性的第 4 代 SiC FET 產品組合。該產品是 750V SiC FET 系列中的首款產品，R DS（on）范圍為 5.4 mΩ 至 60 mΩ，將采用 TOLL 封裝。這些組件非常適合空間有限的應用，例如可處理 100 A 電流和數百瓦到數千瓦的交流/直流電源的固態繼電器和斷路器。

通過2021 年 10 月收購 UnitedSiC，Qorvo 構建了基于 SiC 的 FET 產品的高性能產品組合，使公司能夠提供涵蓋功率轉換、運動控制和電路保護等應用的電源解決方案。

具有挑戰性的應用

新器件滿足了服務器電源對尺寸、效率和成本的需求，其中功率密度已增加到 100 W/in 以上。3因為處理器耗電量大，并且在相同尺寸下需要更多功率（每個 AC/DC PSU 》3 kW）。同樣，固態斷路器需要能夠滿足空間受限應用要求的解決方案，其中主動冷卻是一種選擇，并且必須具有承受高電流和高電壓的能力。

Qorvo 的新型 TOLL 封裝器件滿足上述要求，因為它們：

減少封裝占地面積

更薄的封裝，允許更厚的散熱器

低功率損耗

表面貼裝技術封裝，可自動組裝到 PCB 子卡上，從而降低成本

每個封裝的電阻較低，無需并聯多個 FET

高電流承受能力和更長的短路承受時間

具有足夠的響應時間的抗噪能力

與傳統的 D2-PAK 封裝相比，TOLL 具有減小占地面積和高度的優點，如圖 1 所示。

低 RDS（on） 表面貼裝產品的尺寸 — D2PAK7L 與 TOLL。

圖 1：低 R DS（on）表面貼裝產品的尺寸 — D2PAK7L 與 TOLL（Qorvo）

第 4 代 SiC FET在 600/750V 級功率 FET 中的R DS（on）和輸出電容的關鍵品質因數方面提供了無與倫比的性能。此外，該器件采用 TOLL 封裝的 R DS（on）為 5.4 mΩ，比GaN 晶體管、SiC MOSFET 和一流的硅 MOSFET 低 4 至 10 倍。SiC FET 的 750V 額定值也比競爭技術高 100 至 150V，從而顯著提高了處理電壓瞬變的設計余量。

如圖 1 所示，與同類 D2PAK 表面貼裝替代方案相比，TOLL 封裝的占地面積小 30%，高度短 50%（2.3 毫米）。TOLL 封裝還具有開爾文源連接，可通過更清晰的柵極波形可靠、快速地切換大電流。

新型 SiC FET 利用 Qorvo 獨有的共源共柵電路布置（其中 SiC JFET 與硅 MOSFET 共同封裝）來創建一種器件，該器件充分利用寬帶隙開關技術帶來的效率優勢以及硅 MOSFET 更簡單的柵極驅動。SiC JFET 提供與 SiC MOSFET 相同的 R DS（on），但需要更小的芯片面積，并且通常位于器件上。將 SiC JFET 與常關硅 MOSFET 相結合，共源共柵配置保留了 JFET 的優點，同時允許與標準SiC MOSFET兼容。共源共柵是一種常關配置，對客戶透明，并具有帶柵極、源極和漏極的標準三端器件。

盡管尺寸大幅減小，但新型 FET 從結到外殼的熱阻達到了業界的 0.1°C/W。新型 750V/5.4mΩ UJ4SC075005L8S 采用先進的生產工藝（例如燒結芯片貼裝），在外殼溫度高達 144°C 的情況下具有 120A 的連續額定電流，在高達 0.5ms 的情況下具有 588A 的脈沖電流額定值。

這使得“I 2 t”額定值比相同封裝中的硅 MOSFET 高大約 8 倍，從而增強了魯棒性和瞬態過載抗擾度，同時簡化了設計流程。極低的 R DS（on）、高 T j（max） = 175°C 和出色的瞬態熱行為相結合，實現了這一點。此外，SiC FET 的過電流比同一封裝中 R DS（on）硅 MOSFET 高 2.8 倍 （tp~0.5–1 ms）。圖 2 顯示了采用 TOLL 封裝的硅和 SiC FET 的脈沖電流與脈沖寬度的關系，對此進行了例證。

750V/5.4mΩ SiC FET 的脈沖寬度與（方波）脈沖電流與 TOLL 封裝中 RDS（on） 的 600V 硅 MOSFET 的比較。

圖 2：750V/5.4mΩ SiC FET 的脈沖寬度與（方波）脈沖電流與 TOLL 封裝中 R DS（on） 600V 硅 MOSFET 的比較（Qorvo）

這些新型超低 R DS（on） TOLL 器件由于傳導損耗低、尺寸緊湊、高浪涌耐用性和出色的關斷能力，是在沒有主動冷卻的小型封閉場所中經常面臨熱挑戰的保護應用的選擇。它們可以地減少散熱并避免并聯多個 FET 的需要。