本文探討了近期在碳化硅 (SiC) MOSFET 器件封裝與設(shè)計(jì)方面的進(jìn)展，重點(diǎn)關(guān)注頂部冷卻封裝方案及其在提升熱性能、降低開關(guān)損耗方面的作用，以及開爾文源極連接結(jié)構(gòu)對高頻應(yīng)用效率的優(yōu)化效果。同時(shí)分析了新一代 SiC MOSFET 器件在平衡特定導(dǎo)通電阻 (Rsp) 與短路耐受時(shí)間 (SCWT) 方面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路。

Power Master 擴(kuò)展了其增強(qiáng)型碳化硅 (eSiC) MOSFET 產(chǎn)品系列，新增了符合 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)的高性能頂部冷卻封裝選項(xiàng)。這些封裝包括 TSPAK DBC 版本和 LF 版本，主要面向汽車和工業(yè)應(yīng)用。

這些器件采用 14mm x 18.58mm 的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)尺寸，并集成了開爾文源極連接設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)有助于提升熱性能并降低柵極噪聲。這一方案降低了導(dǎo)通損耗，從而支持更高的功率密度和更高頻率的運(yùn)行。

該封裝方案結(jié)合其新一代 1200V eSiC MOSFET (Gen2) 技術(shù)，優(yōu)化了特定導(dǎo)通電阻 (Rsp) 與短路耐受時(shí)間 (SCWT) 之間的權(quán)衡關(guān)系。與前代產(chǎn)品相比，新型 1200V eSiC MOSFET 的開關(guān)損耗降低了 45%，導(dǎo)通電阻 (RDS(ON)) 降低了 20%，短路耐受時(shí)間 (SCWT) 提高了 15%。

頂部冷卻封裝方案

其開發(fā)的頂部冷卻封裝旨在滿足高壓應(yīng)用的嚴(yán)格要求。為實(shí)現(xiàn) 3.6kV 的隔離電壓和所需的寬爬電距離，設(shè)計(jì)中采用了如細(xì)長凹槽形狀等方案。

Power Master 總監(jiān)崔元碩 (Wonsuk Choi) 表示，經(jīng)過設(shè)計(jì)優(yōu)化，該封裝的實(shí)際隔離電壓超過 5kV，為安全性和可靠性提供了裕量。這些方案在緊湊設(shè)計(jì)中兼顧了絕緣和安全需求，提升了產(chǎn)品性能。

第二代 1200V eSiC MOSFET

新一代 1200V eSiC MOSFET 在器件性能上有所提升，特別是在特定導(dǎo)通電阻 (RDS(on)) 和短路耐受時(shí)間 (SCWT) 方面。這些改進(jìn)通過一種新的器件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)平衡了 SiC 技術(shù)中固有的權(quán)衡關(guān)系。

崔元碩解釋道：“溝道電阻是 RDS(on) 的主要來源，可通過縮小元胞間距來有效降低。然而，縮小元胞間距通常需要減小 JFET 區(qū)寬度，這又會因電流路徑變窄而增加 JFET 電阻。新結(jié)構(gòu)采用特定的摻雜分布，使得在較窄的 JFET 寬度下也能實(shí)現(xiàn)較低的 JFET 電阻。同時(shí)，縮窄 JFET 寬度還能通過限制高漏極偏壓下的飽和電流來提升短路耐受能力。”

這種方法旨在提升器件在常見熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的嚴(yán)苛汽車環(huán)境中的效率和耐用性。

崔元碩提到：“新型 1200V eSiC M2 MOSFET 采用新的器件結(jié)構(gòu)，在降低特定導(dǎo)通電阻 (Rsp) 的同時(shí)，也提高了短路耐受時(shí)間 (SCWT)。”

TSPAK 封裝中的開爾文源極連接

TSPAK 封裝為車載充電器 (OBC)、DC-DC 轉(zhuǎn)換器和電動壓縮機(jī)等多種汽車應(yīng)用提供了良好的熱性能、效率、功率密度和可靠性。

專為車載充電器 (OBC) 和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器等高頻應(yīng)用設(shè)計(jì)，TSPAK 封裝集成了開爾文源極連接，通過降低導(dǎo)通損耗來優(yōu)化效率。

崔元碩說明：“在用于 OBC 的圖騰柱功率因數(shù)校正 (TP-PFC) 等拓?fù)渲校_爾文源極連接有助于提升性能。對于開關(guān)頻率較低但 EMI 要求嚴(yán)格的電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用，TSPAK 的開爾文源極連接能提供更純凈的柵源驅(qū)動電壓信號，通過降低源極電感的影響，便于滿足柵極電壓限制要求。這使得 TSPAK 能適應(yīng)不同應(yīng)用場景，兼顧 EMI 性能和效率。”

據(jù)崔元碩介紹，TSPAK 的目標(biāo)應(yīng)用既包括開關(guān)頻率較低、導(dǎo)通損耗為主的電機(jī)驅(qū)動(如電動壓縮機(jī))，也包括開關(guān)頻率較高、開關(guān)損耗為主的車載充電器 (OBC)。

擴(kuò)展能力與規(guī)劃

鑒于工業(yè)電源轉(zhuǎn)換和電動汽車對 800V 系統(tǒng)的需求增長，Power Master 正在提升其制造能力。

頂部冷卻封裝技術(shù)與開爾文源極配置的結(jié)合，為 SiC MOSFET 在高頻、高功率密度應(yīng)用中的熱管理和開關(guān)損耗控制提供了有效解決方案。

同時(shí)，新一代 SiC MOSFET 器件通過精細(xì)的元胞和 JFET 區(qū)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在降低 RDS(on) 和提升 SCWT 這一對矛盾指標(biāo)上取得了平衡。這些技術(shù)進(jìn)步共同推動了 SiC 功率器件在電動汽車電驅(qū)系統(tǒng)、車載充電、DC-DC 轉(zhuǎn)換及工業(yè)電源等領(lǐng)域的更廣泛應(yīng)用。