摘要：
以碳化硅金属-氧化物半导体场效应晶体管(SiC-MOSFET)为代表的第三代半导体开关器件,基于高工作频率和低功率损耗等优势已被广泛应用在交通、能源等多个领域.但常用TO-247封装结构由于体积、寄生参数和系统热阻大的原因,SiC-MOSFET的高频、高温特性优势在实际工程应用中被严重限制.针对该问题,本文重点研究了具有更小尺寸bare-die封装的SiC-MOSFET,构建bare-die实际工作中芯片的等效电路模型和热阻模型,分析了bare-die构建的功率变换器驱动回路和功率回路寄生参数和热阻小的原因,阐明了基于SiCbare-die的功率变换器的优势.同时本文分别采用TO-247封装和bare-die封装的SiC-MOSFET构建了1kWBuck变换器,比较了不同系统尺寸,并通过实验测试比较了不同系统传输效率,验证了bare-die在设计功率变换器中的优势,为SiCbare-die功率变换器设计提供了技术支撑.
引言
宽禁带半导体材料功率器件由于超高的开关速度和环境适应性，以及更低的功率损耗，已经广泛应用于大功率、高频、高功率密度的电力电子变换器中。目前常用宽禁带半导体开关器件包括氮化镓（GaN）开关器件和SiC-MOSFET，并根据耐压电压等级的不同，GaN和SiC-MOSFET分别占据了不同市场。GaN由于耐压低（一般低于650V)常用于低压环境中，目前在数据中心电源系统和射频电子等低压高功率密度变换器中应用最广泛；而SiC-MOSFET耐压高达1200V，在电网和交通运输等高压大功率领域中应用较广泛，且随着新能源汽车和交通电气化的不断发展，SiC-MOSFET的需求量不断增大，其开关和导通性能将会严重影响变换器的性能，SiC-MOSFET实际应用中达到的性能上限一定程度上影响电气化交通运输领域电力电子设备的发展速度。
目前市场上常用的SiC-MOSFET封装结构有TO-247-3L，它是将bare-die漏极与背面金属散热板通过焊锡连接，源极和栅极通过铝键合线与外部金属管脚相连，在实际应用中较为方便。但该封装结构导致较大的寄生电感，并且源极寄生电感同时存在于功率回路和门极驱动回路中（通常称为共源极电感），由于较大的导通电流，共源极寄生电感在开通和关断过程中会产生较大的电压冲击，该电压冲击同时存在于驱动回路和功率回路中，而在门极驱动电压中产生较大的电压冲击，从而导致器件误导通，甚至损坏SiC-MOSFET的栅极，影响系统的可靠性。为了抑制共源极电感在驱动回路中产生的电压冲击，TO-247-4L封装结构被提出。相较于TO-247-3L的封装结构，TO-247-4L封装通过SiC-bare-die的源极引出另一个管脚S（D）用于驱动回路的电气连接，通常称为“开尔文源极”，而管脚S（P）用于功率回路电气连接。在SiC-MOSFET正常工作情况下，S（D）管脚不会有很大的负载电流，因此在开通和关断过程中，驱动回路不会因为较大电流变化率而产生电压冲击或电源跌落，导致器件误触发，提升了器件自身和系统的可靠性，目前在实际应用中逐步替代了TO-247-3L的封装结构。
但无论对于TO-247-4L封装结构还是TO-247-3L封装结构，内部传导电流的bare-die均是通过铝键合线和较长的金属管脚与外部系统连接，整体封装体积较大，影响系统的功率密度和转换效率。同时TO-247封装中键合线和金属管脚上不可避免地存在寄生电感，实际应用中，为了给开关器件方便安装散热器，无论是立式布局还是平铺式布局，开关器件与PCB焊接点之间需有一段金属管脚，从而导致TO-247封装在实际应用中各电极上的寄生电感很难低于12nH。在快速的开/关状态下，该电感值严重影响开关速度、功率损耗以及系统的可靠性。为能有效减小开关器件各极的寄生电感，基于SiCbare-die封装的功率变换器被提出。其将SiCbare-die的漏极直接与铝基板或铜基板连接，而栅极和源极通过键合线与PCB焊点连接，去掉了外部的金属管脚，有效降低了各极回路的寄生电感。
同时基于SiCbare-die封装的变换器，SiCbare-die裸片与系统散热器直接连接，去掉了TO-247封装中的器件陶瓷和铝散热外壳，系统热阻降低，相同功率损耗情况下系统发热量减小，系统所需要的散热器体积减小，有助于构建更高功率密度、更高效率的功率变换器。目前基于SiCbare-die的变换器设计在散热方式、键合线的连接方式、热阻建模与分析、栅极驱动电路的设计等方面已经有较多研究。而对采用SiCbare-die构建的功率变换器所获得的系统体积和效率提升方面，没有与常用TO-247封装结构的变换器进行定量比较和分析。在实际设计生产过程中，与传统TO-247封装的变换器相比，采用SiCbaredie所提升的变换器性能与设计过程中带来工艺挑战间的折衷问题，仍是众多研究者所考虑的核心问题。基于此问题，本文分别采用TO-2474L封装结构的SiC-MOSFET和bare-die裸片的SiCMOSFET构建了Buck变换器，并在输出功率1kW的工况下对两种系统的体积、传输效率和器件结温进行了比较，详细展示了它们之间的不同，明确了基于SiCbare-die功率变换器的优势，为SiCbare-die功率变换器的设计提供了帮助。
2、TO-247与bare-die封装结构参数分析
2.1、不同封装等效电路寄生参数分析
功率变换器的性能主要依赖于所用开关器件的静态和动态特性，不同回路中的寄生参数直接影响着SiC-MOSFET的静态导通和动态开关性能。图1为TO-247-4L封装结构的SiC-MOSFET在实际应用中的等效电路模型，其中，LGin和LSDin为SiC-MOSFET封装结构内部栅极和开尔文源极寄生电感；LDin和LSPin为SiC-MOSFET封装结构内部漏极和源极寄生电感，其电感值受键合线和用于固定的金属管脚影响较大，所用键合线和金属管脚越长，电感值越大；RGin为器件内部栅极寄生电阻；CGS、CGD和CDS分别为栅-源极、栅-漏极和漏-源极寄生电容，器件的封装体积越大、连接导线越长，寄生电阻和电容值会越大。
SiCbare-die裸片与TO-247-4L封装结构相比，其去除了外部金属管脚，因此器件本身的寄生参数将会减小；同时由于SiCbare-die无封装材料，体积更小，在实际PCB布局中SiCbare-die占用空间更小，PCB信号传输设计中，传输路径更短，驱动回路和功率回路的寄生电感和寄生电容较小。因此，采用SiCbare-die构建功率变换器系统寄生参数小，更容易实现高频化，可有效减小开关损耗和导通损耗，并提升系统的功率密度。
2.2、不同封装结构SiC-MOSFET热阻分析
开关器件是最容易发生故障的部件之一，对系统的稳定性至关重要。据现有统计报道，功率变换器中出现的故障中有34%是开关器件失效引起的，而在这些失效器件中约有55%的失效是由芯片结温过高引起的，故结温是影响变换器寿命的关键因素，也是评估开关器件可靠性的核心参数之一。开关器件在工作过程中温度的变化主要是由功率损耗引起的，在相同的功率损耗下，芯片与外界散热系统热阻越大，器件发热量越大。器件结温、功率损耗及热阻关系可表示为:
SiCbare-die没有封装材料的影响，工作时产生的热量可以直接通过芯片传导出去，而TO-247-4L封装外壳的导热性本身低于bare-die的导热性，因此SiCbare-die相较于TO-247-4L封装具有更低的系统热阻，有助于实现高功率密度变换器。在不考虑热容的情况下，图2为TO-247-4L封装与bare-die裸片在实际应用时与外部散热器的连接方式及其热阻模型。
由式（3）可知，在相同工作环境、相同功率损耗工况下，TO-247-4L封装SiC-MOSFET结温大于bare-die封装芯片的结温，SiCbare-die可实现更高可靠性的功率变换器，能更适用于恶劣环境中。
3、不同封装SiC-MOSFET变换器设计、测试及性能比较
为了验证上述bare-die封装结构在变换器设计中的优势，本节分别设计了基于TO-247-4L封装结构的Buck电路和基于bare-die封装结构的Buck电路，主要通过系统体积、相同输出功率下不同封装结构器件的结温以及系统传输效率进行分析比较。系统工作时的开关频率、输入与输出电压、滤波电容及滤波电感等详细电路参数如表1所示。
图3（a）为BuckDC/DC变换器原理图，开关管Q1与Q2用于控制电感L储能和放能，Cin和Cout用于滤除输入侧和输出侧的电压纹波，使得电压更平稳，RL为负载电阻。图3（b）所示系统样机是基于SiCbare-die封装构建的Buck变换器功率器件及接口布局图，开关器件采用水冷方式散热，散热器与连接bare-die的铜基板直接连接，降低系统热阻。最终设计系统整体结构如图3（c）所示，开关器件的驱动板位于功率模块的最顶层，系统尺寸约为9cm×7cm×3cm。
图5所示电路平台是利用TO-247-4L封装SiC-MOSFET所设计的Buck变换器样机，输入与输出电容采用电解电容，散热器散热方式等设计与图3（c）所示平台相同。但与图3（c）相比，该平台采用了体积较大TO-247-4L封装结构的SiCMOSFET，对于样机尺寸，长和宽与图3（c）尺寸相比变化较小，而变化较大的是样机高度从3cm增加至4.3cm，整体系统体积增加约20%。同时在输出功率大约1kW工况下，系统传输效率仅有89.974%，比SiCbare-die封装结构的变换器样机传输效率低1.52%。这其中主要原因是TO-247封装结构器件比bare-die封装热阻高，器件发热量大，器件开关损耗和导通损耗都有较大增加。
4、结论
本文分析SiC-MOSFET的TO-247-4L和baredie裸片两种封装结构在实际工程应用中驱动回路与功率回路中的寄生参数和变换器的热阻模型，结果显示，相较于TO-247-4L封装结构，baredie封装具有更低的回路寄生参数，更容易实现系统的高频化。同时由于bare-die去除了外部封装结构，在实际应用中芯片与外部工作环境热阻小，因此在相同功率损耗情况下，基于bare-die封装的Buck变换器器件结温更低，可有效提升系统的可靠性。但因为bare-die体积更小，当漏极直接与散热器连接时，栅极和源极需要设计者重新设计键合线，因此系统设计难度有所增加。随着现代工业、交通及能源等领域对电力电子设备依赖性的加深，全面提升电力电子模块的可靠性，保证系统安全可靠长期稳定运行是系统设计中的首要任务。基于bare-die封装的功率变换器虽然在设计过程中难度增加，但可以提升整个系统的可靠性，并且bare-die封装价格更低，基于baredie的功率变换器具有更高的性价比，是一种新颖的可发展技术路线。
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