[技術文章] SMPD 先进绝缘封装充分发挥SiC MOSFET优势

作者：Littelfuse公司Aalok Bhatt、Francois Perraud、José Padilla和Martin Schulz

ISOPLUS - SMPD及其优势

SMPD代表表面安装功率器件(Surface Mount Power Device)，是先进的顶部散热绝缘封装，由IXYS（现在是Littelfuse公司的一部分）在2012年开发。SMPD只有硬币大小，具有几项关键优势：

· 集成DCB绝缘，可在功率和温度循环下提供最佳的可靠性。

· IXYS专有DCB结构具有最低2.5kV绝缘电压。

· 在器件中优化DCB空间的使用，提高功率密度，简化热管理。

· 允许标准回流焊，便于制造。

SMPD可用于标准拓扑结构，如降压、升压、桥臂(phase-leg)，甚至是定制的组合。它们可用于各种技术产品，如Si/SiC MOSFET、IGBT、二极管、晶闸管、三端双向可控硅，或定制组合，具有从40V到3000V不同电压等级。

与标准分立器件相比，基于SiC的SMPD具有性能优势

在基于碳化硅（SiC）MOSFET的SMPD和标准分立封装之间进行动态测量，以量化Littelfuse SMPD所提供的优势。

测量原理是基于标准的双脉冲测试装置，并使用Littelfuse的动态特性分析平台进行测试。在MOSFET开关参数方面进行器件比较，如开关时间Tsw和开关能量Esw，以及二极管开关参数，如反向恢复时间trr、最大反向电流Irm和反向恢复能量Err。

将一个1200V的SiC SMPD器件与具有相近导通电阻RDS(ON)，在栅极至源极工作电压(VGS)方面采用相近技术的标准分立封装器件进行比较。

栅极电压的比较表明，带有开尔文源的SMPD不仅加快了栅极的充电速度，而且由于其封装电感较低，在相同的工作条件下减少了栅极振荡。导通期间的漏极电流比较表明，尽管TO-247-4L和TO-263-7L封装器件具有相近的沟道电阻RDS(ON)和相近技术MOSFET芯片，但其尖峰电流却高出约25%。因此，由于最大反向恢复电流Irm值较高，这些器件的体二极管可能遭受更大的应力。从体二极管的反向电流比较中可以看出，尽管SMPD和TO-247-3L封装中的芯片相同，但SMPD器件具有更短的反向恢复时间，更高的di/dt，这又反过来减少了体二极管的损耗，提高了整个系统的效率。

从测量结果可以看出，与标准分立封装相比，SMPD的所有动态参数都有明显的改善。根据观察，尽管在SMPD和TO-247-3L封装中具有相同的芯片，但SMPD在应用中提供了显着的性能改进。假设应用的开关频率为80kHz，漏极到源极电压为800V，SMPD在50%负载条件下可减少21%的开关损耗，在80%负载条件下可减少18%的损耗。与所有其他分立器件相比，SMPD损耗的降低程度在50%负载下更为突出。

SMPD在应用中具有多种优势

• 由于独立的开尔文源极脚(S)，栅极驱动路径与负载电路分离。负载电流没有负反馈到栅极回路中，这改善了EMI，并减少了寄生导通的风险。

• 大部分杂散电感Ls被排除在栅极环路之外，实现了更快的开关速度，不仅降低了损耗，还提高了效率，并减少了栅极振荡。

• 最大限度地减少了封装的相互寄生电感和耦合电容。

• 最大限度地减少了损耗，提高了效率。SMPD还将结温Tvj保持在低水平，从而简化了热设计。

• 基于DCB的绝缘封装，减化了安装和热设计[1] 。

通过在应用中使用SMPD，设计人员可以实现更短的功率环路，同时减少必需器件的数目。较短的功率环路使得杂散电感最小化，这有助于减少栅极振荡和漏极电压过冲。

使用基于SiC MOSFET的SMPD器件组成功率级架构

Littelfuse的SMPD可用于标准的功率电子器件，设计人员可以用更少的器件实现高出36%的功率能力。

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