聚焦宽禁带 - SiC FET的脉冲电流能力

在降低半导体开关的功率损耗方面，宽带隙（WBG）器件的需求量很大，尤其是采用通用封装的SiC FET、碳化硅/SiC JFET和硅/Si MOSFET共源共栅封装。这种配置使自锁（常关）开关具有简单的栅极控制和品质因数（FoM），其性能优于所有竞争技术。特殊的FoM是RDS（A）器件特定电压等级的单位面积导通电阻，它结合了低静态和动态功耗以及成本效益。更小的芯片（裸片）意味着每个晶圆的片数更多，器件容量更低，这反过来又导致更低的开关损耗。到目前为止，一切顺利，但是使用更小的芯片是否存在温升过高和峰值电流能力降低的风险？恰恰相反，正如我们可以在这里证明的那样。

SiC FET的导通电阻

Qorvo的750V器件UJ4SC075005L8S采用TOLL封装，在整个温度范围内实现的RDS（A） FoM是第4代SiC MOSFET的2.2倍。实际上，该器件在25°C时的导通电阻为5.4mΩ，在 125°C时的导通电阻为9.2mΩ，比额定电压仅为 600/650V的Si或SiC MOSFET和GaN HEMT低4到10倍。

为了利用这种低电阻并转化为高额定电流，采用TOLL封装的Qorvo SiC FET 基于银烧结芯片贴合和晶圆减薄技术，结和封装之间的热阻仅为0.1°C/W。另一个优点是，碳化硅器件的最高结温为175°C，而硅则达到150°C。因此，在175°C的结温和85°C的环境温度下，当连接到0.58°C/W的简单散热器时，单个器件可以连续导通80 A。这使得TOLL封装的基底面仅为9.8mm x 11.65mm，高度为2.3mm。

SiC-FET的峰值电流远高于连续电流

SiC 器件的TJ（Max）值及其额定电流由所使用的封装有效决定——SiC作为一种材料确实能够在超过500°C的温度下安全运行。即使将SiC级联FET的JFET的最大瞬态值限制为175°C，当从较低温度开始时，也有可能处理连续电流数倍的峰值电流。

图1. Qorvo器件UJ4SC07500L8S的瞬态热阻为脉宽和占空比的函数。（来源：Qorvo）

给定峰值电流的时间限制由芯片的热容量及其与内部铜引线框架的直接连接决定，并且可以通过给定芯片和封装的瞬态热阻图来表征。图 1 显示了Qorvo UJ4SC075005L8S的值。

从图中可以看出，单个100μs脉冲导致每瓦功率耗散的结温瞬态升高约0.015°C，而当以50%的占空比重复相同的脉冲时，连续增加约0.07°C/W。在大约10ms的脉冲持续时间下，热阻趋向于稳态值，在超过1秒的持续时间下，占空比小于50%的脉冲可以被视为单个事件，因为脉冲之间结完全冷却。

图2. 最大结温为175°C时UJ4SC075005L8S的实际峰值电流能力与时间和脉冲宽度的关系。（来源：Qorvo）

这在实践中对UJ4SC075005L8S意味着什么如图2所示。在此示例中，器件主体焊接到印刷电路板上的铜平面上，该印刷电路板通过铜热通路连接到背面的铝制散热器。散热器保持在50°C，并由绝缘热界面材料（TIM）隔开，从而产生一些热阻。在这种布置中，连续电流为89A，但在结点达到175°C之前，单个500μs脉冲的峰值电流可以处理高达588A的峰值电流。图2显示了脉冲电流的中间值和允许的持续时间。在电流脉冲之后，可以看到具有多个热时间常数的结的冷却，以及在最坏情况下（大约一秒）的总加热和冷却时间，之后可以将脉冲视为单个事件。

在大型散热器接口热阻较低的其它条件下，器件的最大连续电流可达120A，受内部键合线的限制。

SiC-FET与Si-MOSFET的比较

图3. SiC FET和Si MOSFET之间的I2t评估比较。（来源：Qorvo）

结果令人印象深刻，但它们与目前用于低功耗半导体断路器的Si MOSFET相比如何？众所周知，需要处理浪涌电流的保险丝和其它器件的衡量标准是I2t额定值。在TOLL封装中，SiC-FET比Si MOSFET好约8倍。图3显示了与图2中相同的物理排列方式与示例SiC FET的比较，该FET可承受588A的电流，持续500μs，而Si MOSFET只能承受约200A的电流，相当于8.6倍的I2t差异。

高峰值载流能力

SiC FET具有较高的脉冲载流能力，可在任何应用中的过载条件下提供更好的安全裕度，而且还有其它优点：SiC FET特别适用于具有感性负载的功率转换器，其中电压过冲是不可避免的。这些器件具有强大的雪崩能力：UJ4SC075005L8S具有316mJ/脉冲的能力。此外，在人工智能、机器学习（ML）和流媒体等数据密集型应用的推动下，服务器和类似应用中的PCB安装式DC/DC转换器越来越需要以小尺寸实现高峰值性能。

传感器的设计通常假设结温由出现的峰值电流驱动到其最大值，并且在某些占空比下可能更高。有关结温的信息由传感器和预测算法反馈，这些算法使用数字控制（通过PMBus）指示负载在必要时“节流”。这样可以防止开关转换超过其绝对最大值。同样，SiC FET的高裕度为电源系统的可靠性和使用寿命提供了信心。

在这些应用和类似应用中，SiC FET的高峰值电流能力可以减少对多个器件并联的需求，从而相应地节省器件和PCB面积成本。

半导体断路器的优势

半导体断路器专门用于高剩余电流。SiC FET和JFET由于其低压降而变得越来越普遍，并且正在取代IGBT，尤其是在较低电流下。然而，故障电流仍然可能非常高，而SiC FET的峰值载流能力是这里的一个优势。它提供了更高的鲁棒性，并允许过流检测在反应前保持更长的延迟。这样可以避免意外触发。

结果

小尺寸SiC FET具有数百安培的峰值电流，是需要高功率密度和峰值功率处理能力的现代功率转换器的理想器件。关键数据显示，这些器件明显优于相同电压等级的GaN和Si或SiC MOSFET。此处描述的组件可在Qorvo网站上找到，以及许多适用于各种应用的替代组件。

来源： 星辰工业电子简讯

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