OBC典型拓扑中SiC mosfet不同封装的性能分析

在OBC拓扑中，传统的mosfet不能让开关损耗和效率得到最优化，而SiC mosfet可以通过高频化让OBC拓扑的开关损耗减小，效率得以优化，体积和综合成本得以减小。本文通过侧重对器件封装分析，讨论一下封装对OBC电路的性能影响。

一.碳化硅mosfet的优势

在EV的应用中，电源变换器的效率和损耗决定了里程范围和充电时间，所以提高EV的OBC的效率非常重要，宽禁带器件SiC mosfet是可以通过高频化有效提高电源的效率，减小损耗。

图1 RdsA-BV的各种技术对比

从图1所展示的各种结构SiC mosfet来看，cascode结构的SiC mosfet具有一定耐压下，Rdson和die面积乘积的最优化。

OBC的前级PFC一般采用图腾柱PFC,如图2所示，SiC mosfet非常适合高频化，并且具有良好的体二极管的反向恢复特性，使得图腾柱PFC可以很好的运行在硬开关控制中。

图2 交错图腾柱PFC功率电路

这里示例中，输入电压为230VAC,输出DC电压为400VDC，功率等级为6.6kW，它运行在CCM模式的硬开关电路，快速桥臂的工作频率为75kHz，慢速桥臂的工作频率为电网频率50Hz，两个快速桥臂运行于interleave模式下，通过采用750V,60mohm以内的SiC mosfet，可以将散热片或者散热流体的温度控制在110C左右。

OBC后级的DC/DC，一般采用LLC或者CLLC谐振电路以提高效率，典型电路如图3所示。

图3 CLLC DC/DC谐振电路

这里的示例中，功率等级6.6kW，开关频率300kHz，输出电压为400VDC，采用750V耐压60mohm以内阻抗的碳化硅mosfet，将散热器或者散热流体的温度控制在115C以内。

对于不需要反向工作的前级电路，可以采用维也纳PFC架构，来得到800V的总线电压，从中使用SiC mosfet也可以对导通损耗有很大帮助，如图4所示。

图4 三相维也纳整流电路功率级

这里的示例为22kW等级，运行于40kHz的开关频率，得到800VDC的总线电压，这里可以使用750V耐压40mohm以内的碳化硅Mosfet，结合1200V碳化硅二极管使用，将散热器或者散热流体的温度控制在120C以内。

二.SiC mosfet的封装考虑

SiC mosfet主要用于高压，大功率应用中，可以让电源转换效率达到99.5%以上，对于几千瓦的电源，损耗可以控制在10W以内。典型的封装为TO247,由于具有较小的Junction to case热阻，因此它具有较低的温升，相关的一些工艺如银烧结工艺，薄晶元技术等都可以改善器件热阻，通常这种封装还具有一个Kelvin连接pin，可以避免负载电流流过源极时对门级驱动回路产生影响，即TO247-4L封装.

这种封装虽然有着一系列的优点，如热阻小，散热好，但是它也具有很多不方便之处，例如，在安装方面就比较麻烦，因为通常TO247-4L或者TO247器件需要通过绝缘陶瓷和导热胶安装在散热器上，另一端需要进行PCB钻孔，焊接，弯折等，还要考虑器件pin脚隔离爬电距离，和绝缘间距等，这造成了比较多的安装及工艺成本。

相应于插件封装，就是典型的贴片封装，如D2PAK-7L,由于导通阻抗低，易于安装，可以直接通过回流焊焊接到一个绝缘金属基板上去，并且连接到液冷散热器上，这个过程不需要绝缘器材及导热胶。同时基于SMD的D2PAK-7L的结构，5个源极的pin脚可以产生很小的源极阻抗及寄生电感，pin脚爬电距离和绝缘间距也可以做到最大，这种封装可以应用在OBC电路中，产生更好的综合性能。

具体分析SMD的封装，由于散热焊盘面积比较小，所以相对具有的Junctionto case及case to heatsink的热阻会变大，这是封装物理限制导致的，但是SMD封装却可以带来较小的寄生引线电感，较大的绝缘间距及爬电距离。

图5 D2PAK-7L和TO247-4L的封装参数比较

通过图5我们比较了两种封装参数，SMD封装具有较小的寄生电感和爬电距离和绝缘距离，但是由于SMD封装散热焊盘的面积小而牺牲了一些热阻特性。

图6 TO247-4L封装的不同绝缘材料产生的热阻

图7 D2PAK-7L封装的不同导热介质厚度产生的热阻

从图6，7中所示的几种型号的SiC mosfet的热阻性能比较来看，图7中所示的SMD类型的器件热阻偏大，不管是Junction to case还是Junction to 导热介质热阻，较高的热阻会让同样的损耗加大温升，温升反过来会让Rdson增加，从而损耗更大一些。

具体拓扑的损耗和温升计算请参考原文，链接如下参考,这里不详细探讨。

https://www.powerelectronicsnews.com/improving-on-board-charger-performance-with-the-latest-sic-fet-package-options/

总结，本文通过对碳化硅mosfet的典型应用OBC拓扑，包含PFC和DC/DC部分及充电桩典型拓扑三相维也纳整流拓扑为基础，比较了插件封装TO247-4L/TO247和贴片封装D2PAK-7L各自的优缺点，不涉及具体的器件型号，只是对这一个层面的问题做个讨论，为后续进行更深入的探讨奠定基础。

来源：电源漫谈