設計人員在使用 SiC 電源技術(shù)時(shí)有三種基本的封裝選擇：分立器件、智能電源模塊 (IPM) 或電源集成模塊 (PIM)，每一種都有一套獨特的成本和性能取舍（表 2）。例如：

• 當成本是一個(gè)主要考慮因素時(shí)，如消費應用，通常傾向于使用分立器件。此外它們還支持雙源，并有很長(cháng)的使用壽命。

• IPM 解決方案減少了設計時(shí)間，具有最高的可靠性，是最緊湊的中功率水平解決方案。

• 與 IPM 相比，PIM 可以支持更高的功率設計，具有更好的功率密度、合理的快速上市速度、廣泛的設計選擇，以及更多的實(shí)現雙源的機會(huì )。

  
  

表 2：在選擇分立、IPM 和 PIM SiC 封裝解決方案時(shí)的集成特性和取舍之比較。（圖片來(lái)源：Onsemi）

混合 Si/SiC IPM

雖然有可能開(kāi)發(fā)只使用 SiC 器件的解決方案，但有時(shí)使用 Si/SiC 混合設計更具有成本效益。例如，onsemi 的 NFL25065L4BT 混合 IPM 在輸出端將第四代 Si IGBT與 SiC 升壓二極管組合在一起，形成一個(gè)交錯式功率因數校正(PFC) 輸入級，適合用于消費、工業(yè)和醫療應用（圖 1） 。這種緊湊的 IPM 包括了一個(gè)經(jīng)過(guò)優(yōu)化的 IGBT 柵極驅動(dòng)，以盡可能減少 EMI 和損失。集成的保護功能包括欠壓鎖定、過(guò)流關(guān)斷、熱監控和故障報告。NFL25065L4BT的其他特性包括：

• 600 伏/50 安培 (A) 兩相交錯式 PFC
• 針對 20 千赫 (kHz) 開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行了優(yōu)化
• 使用氧化鋁直接鍵合銅 (DBC) 基底實(shí)現低熱阻
• 集成用于溫度監測的負溫度系數 (NTC) 熱敏電阻
• 隔離額定值達 2500 伏均方根(rms)/1 分鐘
• UL 認證
  
  

圖 1：NFL25065L4BT IPM 在輸出端使用第四代 Si IGBT 與 SiC 升壓二極管組成交錯式 PFC 級。（圖片來(lái)源：Onsemi）

SiC PIM

對于太陽(yáng)能逆變器、電動(dòng)汽車(chē)充電站和類(lèi)似應用，如果能夠使用基于 SiC 的 PIM，通過(guò)減少封裝和縮小總體積來(lái)最大限度地提高功率傳輸，那么設計人員就可以轉而使用 NXH006P120MNF2PTG。該器件包括一個(gè) 6 毫歐 (mΩ)、1200 伏的 SiC MOSFET 半橋和一個(gè)集成 NTC 熱敏電阻，采用 F2 封裝（圖2）。封裝選項包括：

• 有或沒(méi)有預涂熱界面材料 (TIM)
• 可焊接引腳或壓配引腳

這些 PIM 最大工作結溫為 175 攝氏度 (°C)，需要外部控制裝置和柵極驅動(dòng)器?？蛇x的壓配技術(shù)，也稱(chēng)為冷焊接，在引腳和印刷電路板上的電鍍通孔之間提供可靠的連接。壓配提供了簡(jiǎn)化的組裝方式，無(wú)需焊接，可實(shí)現氣密性、低電阻、金屬對金屬連接。

圖 2：NXH006P120MNF2PTG集成電源模塊采用 F2 封裝，帶有壓配引腳。（圖片來(lái)源：Onsemi）

SiC 肖特基二極管

• 175°C 最大結溫
• 506 毫焦耳 (mJ) 雪崩額定值
• 最高 220 A 的非重復性浪涌電流，最高66 A 的重復性浪涌電流
• 正溫度系數
• 無(wú)反向恢復，也無(wú)正向恢復
• AEC-Q101 認證資質(zhì)/PPAP 能力
  
  

圖 3：1700 伏/25 A NDSH25170A SiC 肖特基二極管沒(méi)有反向恢復電流，具有出色的熱性能，以及與溫度無(wú)關(guān)的開(kāi)關(guān)特性。（圖片來(lái)源：Onsemi）

分立式SiC MOSFET

• 106 納庫侖 (nC) 典型柵極電荷
• 139 皮法拉 (pF) 典型輸出電容
• 100% 雪崩測試
• 175°C 工作結溫
• AEC-Q101 鑒定
  
  

圖 4：NTBG040N120SC1 SiC MOSFET 的額定值為 1200 伏/60 A，導通電阻為 40 mΩ，采用D2PAK?7L 表面貼裝封裝。（圖片來(lái)源：Onsemi）

SiC MOSFET 柵極驅動(dòng)器

用于 SiC MOSFET 的柵極驅動(dòng)器，如onsemi NCx51705 系列，提供的驅動(dòng)電壓比用于 Si MOSFET 的驅動(dòng)器高。全導通 SiC MOSFET 需要 18 至20 伏的柵極電壓，而導通 Si MOSFET 則需要不到10 伏的電壓。此外，SiC MOSFET 在關(guān)斷時(shí)需要 -3至 -5 伏的柵極驅動(dòng)。設計人員可以使用針對 SiC MOSFET 優(yōu)化的 NCP51705MNTXG 低壓側、單 6 A 高速驅動(dòng)器（圖 5）。NCP51705MNTXG 提供了最大的額定驅動(dòng)電壓，以實(shí)現低傳導損耗，并且在導通和關(guān)斷期間提供高峰值電流，以盡量減少開(kāi)關(guān)損耗。

圖 5：簡(jiǎn)化示意圖顯示兩個(gè) NCP51705MNTXG 驅動(dòng)器 IC（中右）以半橋拓撲結構驅動(dòng)兩個(gè) SiC MOSFET（右）。（圖片來(lái)源：Onsemi）

設計人員可以使用集成充電泵來(lái)產(chǎn)生用戶(hù)可選擇的負電壓軌，以提供更高的 可靠性、提升的 dv/dt 抗擾度以及更快的關(guān)斷速度。在隔離設計中，可以用一個(gè)從外部獲得的 5 伏電壓軌為數字或高速光隔離器的二次側供電。NCP51705MNTXG 的保護功能包括基于驅動(dòng)電路結溫的熱關(guān)斷，以及偏置電源欠壓鎖定監控。

評估板和SiC 柵極驅動(dòng)注意事項

為了加快評估和設計過(guò)程，設計人員可以使用 NCP51705SMDGEVB 評估板 (EVB) 來(lái)評估 NCP51705（圖 6）。該評估板包括一個(gè) NCP51705 驅動(dòng)器和所有必要的驅動(dòng)電路，包括一個(gè)板載數字隔離器以及能夠焊接任何采用 TO?247 封裝的 SiC 或 Si MOSFET。該評估板旨在用于任何低壓側或高壓側的電源開(kāi)關(guān)應用。在圖騰柱驅動(dòng)器中可以配置兩個(gè)或多個(gè)這樣的評估板。

圖 6：NCP51705SMDGEVB EVB 有孔（上左），可連接 SiC 或 Si 功率 MOSFET，且包括 NCP51705 驅動(dòng)器（U1，中左）和數字隔離器 IC（右中）。（圖片來(lái)源：Onsemi）

在使用帶有 SiC MOSFET 的 NCP51705柵極驅動(dòng)器時(shí)，盡量減少印刷電路板的寄生電感和電容是很重要的（圖 7）。印刷電路板布局注意事項：

• NCP51705 應盡可能靠近 SiC MOSFET，要特別注意的是 VDD、SVDD、V5V、充電泵和 VEE 電容與 MOSFET 之間的短印制線(xiàn)。
• VEE 和 PGND 之間的印制線(xiàn)應盡可能短。
• 高 dV/dt 印制線(xiàn)與驅動(dòng)器輸入和DESAT 之間需要有隔離，以避免因噪聲耦合而導致的異常操作。
• 對于高溫設計，應在裸焊盤(pán)和外層之間使用熱過(guò)孔，以盡量減少熱阻。

• OUTSRC、OUTSNK 和 VEE 需要使用寬印制線(xiàn)。

  
  

圖 7：NCP51705的推薦印刷電路板布局，可最大程度地減少驅動(dòng) SiC MOSFET 的寄生電感和電容。（圖片來(lái)源：Onsemi）

總結

如上所述，在分立器件、IPM 和 PIM 之間進(jìn)行選擇時(shí)，需要考慮一系列的性能、上市速度和成本權衡。此外，在使用分立器件或 PIM 時(shí)，為了實(shí)現可靠和高效的系統性能，SiC 柵極驅動(dòng)器的選擇和最佳的印刷電路板布局也至關(guān)重要。

(作者：Jeff Shepard，文章來(lái)源：DigiKey得捷)