SiC實現小體積、高功率密度電源元件

作者 : Maurizio Di Paolo Emilio,EE Times歐洲特派記者

電源應用正轉向更小佔位面積、更高效率的解決方案;為提高功率密度,讓元件能夠放進更小的封裝裡,SiC是用來取代矽材料電源離散元件和模組的理想候選技術。

美國業者Apex Microtechnology開發出一系列整合了碳化矽(SiC) MOSFET技術的元件,號稱在性能與功率密度方面都有所提升。

電源應用正轉向更小佔位面積、更高效率的解決方案;為提高功率密度,讓元件能夠放進更小的封裝裡,SiC是用來取代矽材料電源離散元件和模組的理想候選技術。因為它們擁有較佳的特性,SiC MOSFET被廣泛用於需要高開關頻率、高電壓、高電流與高效率的電源應用。

此外SiC元件能在高於矽元件可承受的接面溫度下運作,這得前者能實現更好的散熱管理,而這也是另一個在縮小晶片尺寸時可利用的優勢。

以矽為基礎的高功率離散元件和模組,通常需要以大體積散熱片為基礎的冷卻解決方案,這影響了整體解決方案的尺寸。另一方面,SiC能在不需要為散熱管理妥協的前提下,提供以更小佔位面積實現前所未見之高功率密度的機會。

相較於矽材料,SiC具備許多優勢,例如在同樣溫度和電流水準下,後者的導通電阻較低;低RDS(on)會帶來較佳的電流對電壓性能和較低的開關損耗。儘管SiC的成本高於矽材料,但是較低的熱負載、更簡單的散熱以及更高的可靠度,彌補了此一缺點。

以上述考量為出發點,為一系列工業、測試與量測、醫療、航太、半導體設備與軍事等應用提供單片式、混合及開放性架構類比電源解決方案的供應商Apex,利用SiC的特性開發出數款新產品,包括整合了閘極驅動器的半橋式開關模組SA110,以及同樣整合閘極驅動器的三相電源開關模組SA310。

適當的設計能有效地突顯SiC的所有特性;Apex在設計高功率元件時謹慎地考量了寄生效應(會超過導通電阻),以及走線(trace)電感和電阻。圖1顯示Apex SA310KR元件的方塊圖,那是一款以SiC為基礎,整合閘極驅動器的三相電源模組。

在設計這款以SiC功率元件的過程中,Apex面臨的最大的挑戰之一是MOSFET驅動器和MOSFET閘極驅動器的共同封裝(co-packaing)。由於高開關頻率──這是由SiC的主要功能之一,其電流迴轉率(slew rate,di/dt)是很高的──需要在PCB佈線時特別仔細,以避免可能的雜訊形成,或是相鄰走線間的相互干擾/串擾。

 

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圖1:SA310KR的方塊圖。

(來源:Apex Microtechnology)

 

此外,在高開關頻率下,集膚效應(skin effect)不可忽視──這會導致元件封裝的輸出/輸入連結的有效截面積縮減,以及提高電阻。而Apex利用在基板上的一種先進厚膜(thick-film)技術,疊印(double-printing)走線以增加其厚度、降低阻抗,解決了那些潛在問題。

Apex共同封裝解決方案的另一個優勢,是將閘極驅動器放在很靠近SiC MOSFET的地方,因此降低閘極的電感效應,這在較高開關頻率下的效果會變得相當顯著。根據Apex 的說法,透過對散熱路徑、封裝和材料的重視,該公司已經能夠實現卓越的散熱管理──舉例來說,SA110在-40°C到125°C的溫度範圍內運作時,耗散的功率為89W。

以較小佔位面積12接腳Power SIP (DP)形式供應的SA110,具備整合的閘極驅動控制、非常高(達400KHz)的開關頻率,以及在A級變體中28A的連續輸出電流。該元件適合諸如AC/DC和DC/DC轉換器、功率因數修正(PFC)和馬達驅動等應用。

SA310採用16接腳Power DIP (KR)封裝,整合三個獨立、隔離的半橋,在直接微控制器或數位訊號控制器(DSC)控制下,提供最高達80A的尖峰輸出電流。SA310採用熱傳導、電氣絕緣基板,提供了最大多功能性且易於散熱,能因應諸如馬達控制(無刷直流馬達)、變頻驅動、DC/AC轉換器、電源逆變器、測試設備和磁振造影(MRI)主線圈電源供應器等應用需求。

上述兩款元件都具備保護功能,例如欠壓鎖定功能和主動米勒鉗位(Miller clamping),以降低開關雜訊、提升可靠度。

最近Apex還發表了一款採用SiC的高功率半橋模組SA111,以小巧專利PQ封裝提供高水準功率密度。該模組(參考圖2)採用面積僅20×20mm的SMD封裝,能提供32A的連續輸出電流,處理最高達650V的電源電壓,並實現最高為1 MHz (維持在安全運作範圍)的開關頻率。該表面黏著封裝具備高散熱效率,從頂部冷卻,這讓使用者能最佳化電路板佈局的布局,將散熱片直接放在元件頂部。

圖2:新推出的Apex SA111。 (圖片來源:Apex Microtechnology)

圖2:新推出的Apex SA111。 (來源:Apex Microtechnology)

該款SiC半橋電源模組是MRI梯度線圈驅動、磁性軸承、馬達驅動、測試設備、伺服器風扇、PFC,以及AC/DC、DC/DC轉換器等應用的理想解決方案。SiC MOSFET亦能讓SA111承受較高的熱應力、處理高達175°C的接面溫度。

SA111 SiC電源模組配備整合閘極驅動器,欠壓鎖定和主動米勒鉗位,號稱是強化了元件控制和保護的完全整合解決方案。SiC大幅改善了散熱管理,因為產出的熱較少,模組本身散熱需求也較小,模組尺寸也能更小;採用該模組的電源供應器也能更小、發熱較少且更便宜。

拜其表面黏著封裝和特別小的佔位面積之賜,SA111能夠讓設計工程師充分利用電路板面積最,允許在高功率密度需求的電路設計上採用多個元件。SA111PQ的樣本現在已經能提供給符合資格的客戶應用,預計在2022年夏天進行大規模量產。

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年6月號

責編:Judith Cheng

(參考原文:SiC Enables High–Power Density in a Compact Package,By Maurizio Di Paolo Emilio)

 

 

 

 

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