【導讀】每隔一段時間便會偶爾出現全新的半導體開關技術；當這些技術進入市場時，便會產生巨大的影響。使用碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等寬帶隙材料的器件技術無疑已經做到了這一點。與傳統硅基產品相比，這些寬帶隙技術材料在提升功率轉換效率和縮減尺寸方面都有了質的飛躍。
憑借SiC在縮減尺寸方面的全新能力，Qorvo的SiC FET技術用于采用TO-Leadless（TOLL）封裝的750V器件開發，并擴大了其領先優勢。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，其顯著優于TO-247和D2PAK標準封裝。除了這些品質外，Qorvo的SiC-FET還為客戶的整體最終設計提供了其它關鍵因素。下面我們將對此做簡要介紹。
權衡考慮
與任何半導體技術一樣，設計工程師在創建應用時必須對參數的權衡加以考慮。任何設計工程師所能期望的最好結果就是找到一個最佳的中間地帶。事實上，Qorvo的SiC-FET具有業內最低的 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封裝內放置一個750V SiC-FET。
RDS(ON)與效率的關系：
● 所有FET在傳導過程中都會產生一定的功率損耗。傳導中的功率損耗與額定RDS(ON)值成正比；這種損耗等效于系統效率的下降。通常情況下，要達到較低的RDS(ON)，就需要增大FET的尺寸；然而，這就相當于在降低傳導損耗的同時，增大了半導體尺寸（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遠小于競爭對手SiC、硅或GaN功率技術產品，因而能夠將這種折衷降至最低（見圖3 左圖）。
圖1：RDS(ON)與Eon和Eoff間的權衡
● 如上圖所示，不僅在RDS(ON)和尺寸間存在權衡取舍，開關能量和RDS(ON)之間也是如此。隨著器件RDS(ON)的增加，開關能量（Eon和Eoff）也會增加；也就是說，當RDS(ON)和傳導損耗走向更低的方向，Eon和Eoff開關損耗也會增加。在電動車DC/DC轉換器或功率因數校正（PFC）解決方案等硬開關應用中，這兩個參數間的權衡帶來更大的挑戰。但最終，通過平衡這兩個參數，可以實現優化的結果。將Qorvo的SiC-FET與其它電源技術進行比較，可以發現兩者的競爭優勢基本相當。
RDS(ON)與FET輸出電容：
● 在電動車用DC/DC轉換器等軟開關應用中，RDS(ON)與Coss(tr)或FET輸出電容（tr-表示與時間相關）間需進行權衡（參見下圖）；器件 RDS(ON)越低，Coss(tr)越大。在軟開關應用中，Coss(tr)是決定FET工作頻率的關鍵因素。輸出電容越小，工作頻率就越高。在軟開關應用中，則要在這兩個參數間做出選擇，以確保系統達到最佳工作頻率。也就是說，如圖 3 右側所示，Qorvo的SiC-FET技術在給定Coss(tr)的情況下具有更低的總RDS(ON)，使得Qorvo的SiC-FET技術在許多軟開關應用中更具優勢。
圖2：RDS(on)和Coss(tr)間的權衡
如下圖所示，綜合權衡這些取舍并考慮競爭因素后可以看到，較低的RDS(ON)在硬開關和軟開關情況下均擁有巨大優勢，而在軟開關應用中優勢更大。
圖 3：比較25°C和125°C時650V與750V等級的SiC技術
與硅基MOSFET相比，Qorvo SiC-FET在軟開關應用中具有更低的傳導損耗和更高的工作頻率，并且在硬開關應用中開關損耗也更低。同市場上其它SiC技術相比，Qorvo SiC-FET具有更高的工作頻率和更低的傳導損耗。
縱觀市場上其它廠商的TOLL封裝產品，我們可以發現它們在電壓等級和RDS(ON)參數方面均落后于Qorvo。這是由于Qorvo的SiC-FET技術具有同類最佳的特定導通電阻；這意味著可以使用更小的封裝類型，但仍能實現最低的總電阻。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時的比較。
圖4：TOLL封裝、600-750V等級、25°C和125°C時的開關導通電阻比較。
你沒看錯，這個對比尺度沒有任何問題——SiC FET比最接近的供應商好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，具有強大的雪崩特性。其它器件的額定電壓僅為600/650V，而GaN HEMT單元則沒有雪崩額定電壓。
如上所述的諸多優勢，同時在較小的TOLL封裝中采用額定電壓更高的開關，則意味著更高的成本效益。
最佳應用切入點
采用TOLL封裝的SiC-FET功率開關的重點應用場景為功率密度至關重要的的領域，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電站中的開關模式功率轉換，以及數據通信、太陽能，及儲能逆變器中的電源。作為斷路器，這些設備可用于建筑配電板和電動汽車充電器。
空間在許多此類應用中非常寶貴，與其它供應商相比，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，從而實現了低動態損耗的快速開關。
作者：David Schnaufer，Qorvo技術營銷傳播經理
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