高功率半導(dǎo)體的先進(jìn)封裝有助處理更高的功率

表面貼裝功率器件（SMPD） 封裝為設(shè)計(jì)人員提供了功率能力、功耗以及易于布局和組裝的最佳組合，可幫助設(shè)計(jì)人員克服在不顯著增加所構(gòu)建系統(tǒng)的尺寸和重量的情況下增加輸出功率的挑戰(zhàn)。

圖 1 展示了一種雙向電源拓?fù)?，該拓?fù)湓?個(gè)半橋組中使用16個(gè)碳化硅功率MOSFET。設(shè)計(jì)人員會(huì)利用更多的并聯(lián)分立功率 FET 來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的功率，從而使充電/放電系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得更加困難。分立式功率 FET 封裝通常是 D2PAK 或 TO-247 封裝。當(dāng)設(shè)計(jì)輸出功率水平超過(guò) 30 kW 時(shí)，先進(jìn)封裝提供支持所需高輸出功率的元件。

圖 1. 具有多級(jí)功率轉(zhuǎn)換的雙向充電器電路

圖 2 顯示了封裝選項(xiàng)及其功率處理能力。每個(gè)封裝選項(xiàng)都根據(jù)印刷電路板 （PCB） 布局復(fù)雜性、組裝難度、輸出功率和散熱量進(jìn)行評(píng)級(jí)。

圖2 封裝功率能力及封裝性能對(duì)比

SMPD 封裝可實(shí)現(xiàn)更高功率密度

設(shè)計(jì)人員可以使用 SMPD 來(lái)容納各種電壓等級(jí)和電路拓?fù)洌òò霕颍┑母鞣N芯片技術(shù)。圖 3 給出了Littelfuse的 SMPD 封裝示例。 SMPD 采用直接銅鍵合 （DCB） 基板，帶有銅引線框架、鋁鍵合線和半導(dǎo)體周?chē)乃芰夏Ｋ芰?。DCB 中裸露的銅層使連接到散熱器的表面積最大化。將銅引線框架與鋁焊線相結(jié)合可以簡(jiǎn)化焊接和組裝。DCB 結(jié)構(gòu)提供高隔離強(qiáng)度，并允許在單個(gè)載體上進(jìn)行具有高散熱能力的多半導(dǎo)體排列。

圖 3. 表面貼裝功率器件 （SMPD） 封裝的示例結(jié)構(gòu)（來(lái)源： Littelfuse ）

本示例中的 SMPD 封裝設(shè)計(jì)具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

? 最大限度地利用半導(dǎo)體的能力，以及由于封裝的低雜散電感導(dǎo)致的低電壓過(guò)沖。

? 在啟用定制拓?fù)浞矫婢哂懈蟮撵`活性，包括晶閘管、功率二極管、MOSFET 和 IGBT。

? 由于背面隔離，所有功率半導(dǎo)體都可以安裝在單個(gè)散熱器上。

? 與其它半導(dǎo)體封裝（例如 TO 型器件）相比，熱阻更低。

? SMPD 提供比 TO 型封裝更高的載流能力。

? 由于半導(dǎo)體芯片和散熱器之間的低寄生耦合電容，降低了輻射 EMI。

? UL認(rèn)證，額定絕緣電壓高達(dá)2500 V

圖4中的每個(gè)封裝包含兩個(gè)功率MOSFET，作為SMPD封裝中可用的多個(gè)電路配置的一個(gè)示例，突出顯示了SMPD封裝如何將元件數(shù)量減少近一半，從而實(shí)現(xiàn)更高的功率、更大的功率密度和更小的裝配尺寸。本示例

圖 4. 基于 SMPD 封裝的雙向充電器，與使用分立器件相比，可將元件數(shù)量減少一半。

以更小的封裝提供更高的功率

設(shè)計(jì)人員可以增加充電器的功率，從而提高功率密度。 它的用途很廣泛，比如電動(dòng)汽車(chē)（EV）。

電動(dòng)汽車(chē)的設(shè)計(jì)人員需要解決快速充電的挑戰(zhàn)，以最大限度地減少車(chē)輛充電時(shí)的閑置時(shí)間，因此需要提高充電器的功率輸出、功率密度和效率。單個(gè)單元充電器設(shè)計(jì)范圍從 7 kW 到 30 kW。將單個(gè)單元組件組合到模塊化設(shè)計(jì)中可提高功率輸出，并使充電器制造商實(shí)現(xiàn)更小的面積、更高的靈活性和可擴(kuò)展性的目標(biāo)。在先進(jìn)的隔離式封裝中使用有源功率元件，可實(shí)現(xiàn)更高的功率密度并顯著減少電路設(shè)計(jì)中的熱管理工作，從而解決大功率充電的挑戰(zhàn)。

采用 SMPD 封裝，設(shè)計(jì)人員可以開(kāi)發(fā)輸出高達(dá) 50 kW 的單個(gè)功率單元，還可以減少組件數(shù)量以降低制造成本。 表面貼裝封裝設(shè)計(jì)，例如 Littelfuse 的封裝設(shè)計(jì)，可以通過(guò)低熱阻封裝技術(shù)最大限度地減小散熱器尺寸和成本。 由于寄生電容和雜散電感較低，這種封裝可以降低輻射和傳導(dǎo) EMI。 設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)在更高頻率下工作來(lái)使用更小的電感器，從而節(jié)省空間和成本。