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作者：Littelfuse公司Aalok Bhatt、Francois Perraud、José Padilla和Martin Schulz
ISOPLUS - SMPDTM?SMPD的全名是安裝功率器件(Surface?Mount?Power?Device)，由Littelfuse公司旗下的IXYS（現(xiàn)在是的一部分）開發(fā)，是先進的頂部散熱絕緣封裝技術，為設計工程師簡化了處理功率半導體系統(tǒng)集成和安裝的方式。
SMPD可用于標準拓撲結構，如降壓、升壓、橋臂(phase-leg)，甚至是定制的組合。它們可用于各種技術產(chǎn)品，如Si/SiC MOSFET、IGBT、二極管、晶閘管、三端雙向可控硅，或定制組合，具有從40V到3000V不同電壓等級。SMPD具有幾項關鍵優(yōu)勢：
·集成DCB絕緣，可在功率和溫度循環(huán)下提供最佳的可靠性。
·在器件中優(yōu)化DCB空間的使用，提高功率密度，簡化熱管理。
·允許標準回流焊，便于制造。
·IXYS專有DCB結構具有最低2.5kV絕緣電壓。
<<圖1：ISOPLUS SMPDTM內部結構和尺寸>>
SiC MOSFET配合SMPD器件組成功率級架構的設計示例
Littelfuse的SMPD可用于標準的功率電子器件。下圖是使用SMPD的22kW AFE轉換器，假設開關頻率55kHz，直流輸出750V，交流輸入380V，散熱器溫度65℃。設計人員只要在AFE轉換器中使用SMPD，便可以提高36%的功率能力，并且減少器件數(shù)量。與基于TO-247-3L/TO-247-4L并且使用相同芯片的設計相比，基于SMPD的設計可以把PCB面積減少57%。
<<圖8：使用SMPD的22kW AFE設計示例>>
基于SiC的SMPD具有優(yōu)于標準分立器件的性能
為了解Littelfuse SMPD所提供的優(yōu)勢，我們使用Littelfuse的動態(tài)特性分析平臺，在基于碳化硅（SiC）MOSFET的SMPD和標準分立封裝之間進行動態(tài)測量。我們比較了MOSFET開關參數(shù)，如開關時間Tsw和開關能量Esw，以及二極管開關參數(shù)，如反向恢復時間trr、最大反向電流Irm和反向恢復能量Err。
<<圖2：雙脈沖測試裝置和動態(tài)特性分析平臺>>
我們將一個1200V的SiC SMPD器件與具有相近導通電阻RDS(ON)，在柵極至源極工作電壓(VGS)方面采用相近技術的標準分立封裝器件進行比較。
<<圖3：以SiC MOSFET為特征的器件比較>>
比較結果表明，帶有開爾文源的SMPD的封裝電感較低，減少了柵極振蕩，并且加快了柵極的充電速度。導通期間的漏極電流比較表明，盡管TO-247-4L和TO-263-7L封裝器件具有相近的溝道電阻RDS(ON)和相近技術MOSFET芯片，但其尖峰電流卻高出約25%。因此，最大反向恢復電流Irm值較高，使得這些器件的體二極管能夠耐受較大的應力。此外，雖然盡管SMPD和TO-247-3L封裝中的芯片相同，但SMPD器件的di/dt和反向恢復時間都更好，不僅提高了整個系統(tǒng)的效率，還可以減少體二極管的損耗。
<<圖4：SMPD和標準TO封裝器件的波形比較>>
我們也比較了SMPD和標準分立器件的相關參數(shù)
<<圖5：SMPD和標準分立器件的相關參數(shù)比較>>
從測量結果看來，SMPD的所有動態(tài)參數(shù)都高于標準分立封裝。盡管在SMPD和TO-247-3L封裝使用相同的芯片，但SMPD在應用中的性能明顯更勝一籌。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。在重載下，雖然TO-263-7L器件的性能與SMPD不相伯仲，但TO-263-7L器件需要一個絕緣金屬基板PCB，這不僅限制了PCB的層數(shù)和增加了設計復雜性，并且成本高出50%。SMPD則提供開爾文源極腳(S)和最小化的封裝級雜散電感，從而優(yōu)化了性能、效率和功率密度，并易于使用標準PCB進行制造，而簡化的熱設計和回流焊接能力也是SMPD的優(yōu)勢。在50%負載下，SMPD降低損耗的性能更出色，優(yōu)于所有其他分立器件。
SMPD封裝SiC MOSFET
<<圖6：安裝在帶有標準負載電路PCB上的SMPD>>
SMPD在應用中具有多種優(yōu)勢
§最大限度地減少了損耗，提高了效率。SMPD還將結溫Tvj保持在低水平，從而簡化了熱設計。
§基于DCB的絕緣封裝，減化了安裝和熱設計[1]?。
§由于獨立的開爾文源極腳(S)，柵極驅動路徑與負載電路分離。負載電流沒有負反饋到柵極回路中，這改善了EMI，并減少了寄生導通的風險。
§大部分雜散電感Ls被排除在柵極環(huán)路之外，實現(xiàn)了更快的開關速度，不僅降低了損耗，還提高了效率，并減少了柵極振蕩。
下圖描述了與標準TO封裝相比，使用SMPD優(yōu)化功率環(huán)路的情形。
<<圖7：與標準分立器件相比，使用SMPD的功率環(huán)路更短>>
總結
一般來說，功率模塊雖然包含完整的拓撲結構，但封裝處理要求較為復雜；然而，功率半導體分立器件的標準封裝卻沒有考慮到特定拓撲結構的需求。幸好Littelfuse的先進絕緣封裝技術SMPD同時具備功率模塊的性能和分立器件的靈活性，填補了模塊和分立器件之間的空白。
在測試中，?SMPD的優(yōu)勢顯而易見。SMPD可以減少安裝，節(jié)省空間，提供DCB絕緣，提高功率密度和效率；同時與標準分立封裝相比，還可以簡化熱設計。SMPD封裝還允許集成傳感器件，例如NTC熱敏電阻，以便對半導體進行溫度監(jiān)測，或者使用分流電阻來測量器件電流。Littelfuse網(wǎng)頁上提供了Littelfuse SMPD產(chǎn)品系列的信息?[2]。
參考資料
[1] Application Note: ‘Mounting and Cooling Solutions for SMPD Packages’;?www.littelfuse.com.
[2] Littelfuse SMPD product offering;?https://www.littelfuse.com/products/power-semiconductors.aspx
