先進絕緣封裝優勢多　SMPD強化SiC MOSFET優勢

多數在功率半導體分離式元件的標準封裝中，沒有考慮到一些特定的拓撲結構需求。另一方面，功率模組通常包含完整的拓撲結構，但具有複雜的封裝處理要求。部分供應商的先進絕緣封裝(如SMPD)，填補了模組和分離式元件之間的空白，同時具備功率模組的性能和分離式元件的靈活性。

SMPD封裝具備較高效能

SMPD代表表面黏著功率元件(Surface Mount Power Device)，是先進的頂部散熱絕緣封裝。如圖1所示，SMPD只有硬幣大小，具有幾項關鍵優勢，包含其整合DCB絕緣，可在功率和溫度迴圈下提供最佳的可靠性。而開發此技術的廠商，採用DCB結構，達到2.5kV較低的絕緣電壓。且該封裝能在元件中最佳化DCB空間的使用，提高功率密度，簡化熱管理。同時，SMPD允許全自動取放以及標準回流焊接，便於製造。

SMPD的封裝技術有助於功率半導體的開發，簡化了設計工程師處理功率半導體系統整合和組裝的方式。該封裝可用於標準拓撲結構，如降壓、升壓、橋臂(Phase-leg)，以及客製化的組合。SMPD在各種技術產品，如Si/碳化矽(SiC)MOSFET、IGBT、二極體、晶閘管、三端雙向可控矽，或者客製化產品組合中，具有從40V到3,000V不同電壓等級。

在基於SiC MOSFET的SMPD和標準分離式封裝之間進行動態測量，可以量化SMPD所提供的優勢。如圖2所示，測量原理是基於標準的雙脈衝測試裝置，並使用動態特性分析平台進行測試。在MOSFET開關參數方面進行元件比較，如開關時間T_SW和開關能量E_SW，以及二極體開關參數，如反向恢復時間t_rr、最大反向電流I_rm和反向恢復能量E_rr。如圖3所示，將一個1200V的SiC SMPD元件與具有相近導通電阻R_DS(on)，在閘極至源極工作電壓(V_GS)方面採用相近技術的標準分離式封裝元件進行比較。

圖4中顯示閘極電壓、漏極電流，和本體二極體反向恢復電流的測量波形。閘極電壓的比較顯示，帶有Kelvin Source的SMPD不僅加快了閘極的充電速度，而且由於其封裝電感較低，在相同的工作條件下減少了閘極振盪的現象。導通期間的漏極電流比較顯示，儘管TO-247-4L和TO-263-7L封裝元件具有相近的溝道電阻R_DS(on)和相近技術MOSFET晶片，但其尖峰電流卻高出約25%。因此，由於最大反向恢復電流I_rm值較高，這些元件的本體二極體可能遭受更大的應力。從本體二極體的反向電流比較中可以看出，儘管SMPD和TO-247-3L封裝中的晶片相同，但SMPD元件具有更短的反向恢復時間，更高的d_i/d_t，這又反過來減少了本體二極體的損耗，提高了整個系統的效率。

圖5對動態參數進行量化，並以百分比的方式進行比較。從測量結果可以看出，到目前為止，與標準分離式封裝相比，SMPD的所有動態參數都有明顯的減少。根據觀察，儘管在SMPD和TO-247-3L封裝中具有相同的晶片，但SMPD在應用中提供了顯著的性能改進。假設應用的開關頻率為80kHz，漏極到源極電壓為800V，SMPD在50%負載條件下可減少21%的開關損耗，在80%負載條件下可減少18%的損耗。與所有其他分離式元件相比，SMPD損耗的降低程度在50%負載下更為突出。TO-263-7L元件在重載條件下的性能與SMPD相當，但使用這種元件通常需要一個絕緣金屬基板PCB(IMS PCB)，這限制了PCB的層數，並增加了PCB設計的複雜性。與標準PCB設計相比，成本高出接近50%。SMPD則提供Kelvin Source極腳(S)和最小化的封裝級雜散電感，進而優化了性能、效率和功率密度，並易於使用標準PCB進行製造，回流焊接能力和簡化的熱設計更加突出了SMPD優勢。

SMPD封裝SiC MOSFET應用優勢

圖6顯示了安裝在帶有標準負載電路PCB上的SMPD元件。

SMPD在應用中的優勢包含由於獨立的Kelvin Source極腳(S)，閘極驅動路徑與負載電路分離。負載電流沒有負反饋到閘極回路中，這改善了EMI，並減少了寄生導通的風險。同時大部分雜散電感Ls被排除在閘極環路之外，此封裝技術實現了更快的開關速度，不僅降低了損耗，還提高了效率，並減少了閘極振盪。此外，SMPD大幅減少了封裝的相互寄生電感和耦合電容，也盡可能減少了損耗，提高了效率，更將結溫Tvj保持在低點，進而簡化了散熱設計。並且SMPD基於DCB的絕緣封裝，減化了封裝和冷卻設計^[1]。

設計人員在應用中使用SMPD，可以實現更短的功率環路，同時減少必需元件的數目。較短的功率環路使得雜散電感最小化，這有助於減少閘極振盪和漏極電壓過衝。圖7描述了與標準TO封裝相比，使用SMPD最佳化功率環路的情形。

廠商如Littelfuse的SMPD可用於標準的功率電子元件。圖8顯示了使用SMPD的22kW AFE轉換器，假設交流輸入380V，直流輸出750V，開關頻率55kHz，散熱器溫度65℃。透過在AFE轉換器中使用SMPD，設計人員可以用更少的元件實現高出36%的功率能力。與基於TO-247-3L/TO-247-4L的具有相同晶片的設計相比，基於SMPD的設計占用的PCB面積減少了57%。

SMPD提高功率密度/簡化熱設計

透過比較SMPD與標準分離式封裝的效能，可見在應用中使用SMPD可以減少安裝，節省空間，提供DCB絕緣，提高功率密度和效率；同時與標準分離式封裝相比，還可以簡化熱設計。SMPD封裝還可整合感測元件，例如NTC熱敏電阻，以便對半導體進行溫度監測，或者使用分流電阻來測量元件電流。

(本文作者任職於Littlefuse)