英飛凌已發(fā)布其第二代 CoolSIC MOSFET 器件，電壓等級(jí)為 650 V、1200 V 和 3300 V，面向電動(dòng)汽車充電、工業(yè)太陽(yáng)能逆變器、伺服驅(qū)動(dòng)器、UPS 和鐵路牽引等高壓工業(yè)應(yīng)用。對(duì)于服務(wù)器功率因數(shù)校正、多級(jí)太陽(yáng)能拓?fù)浜透吖β黍?qū)動(dòng)器等低壓應(yīng)用，英飛凌將推出 400 V SiC MOSFET，其通道電阻范圍為 11 mΩ 至 45 mΩ，采用兩種不同的 4 引腳封裝——TOLL 和 D2PAK-7。

　　工業(yè)級(jí) CoolSiC MOSFET 650 V 分立概述

　　英飛凌最新的 650 V 分立式 MOSFET 基于第二代 (G2) SiC 溝槽技術(shù)。第一代 (G1) CoolSiC 溝槽專注于提供可靠的性能，并在性能和可靠性之間實(shí)現(xiàn)業(yè)界領(lǐng)先的平衡 — 這些特性有助于贏得客戶對(duì)新型 SiC 技術(shù)的信任。G2 在此基礎(chǔ)上增加了更好的性能、更大的使用靈活性和先進(jìn)的封裝技術(shù)，同時(shí)保持了 G1 相對(duì)于柵極氧化層 (GoX) 的可靠性和穩(wěn)健性。英飛凌第二代 SiC MOSFET 的開(kāi)關(guān)行為引人注目。圖 1 所示的性能系數(shù) (FOM) 圖突出顯示了與上一代相比的顯著改進(jìn)。

圖1

　　強(qiáng)勁的 FOM 表明，英飛凌的 G2 SiC MOSFET 可以成功適應(yīng)高頻設(shè)計(jì)，這是軟開(kāi)關(guān)拓?fù)涞牡湫吞卣??？傮w而言，它們可以實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)功率密度。有趣的是，CoolSiC G2 開(kāi)關(guān)性能的改善平衡了熱系數(shù)的增加。圖 2 顯示了不同英飛凌 650 V 功率器件技術(shù)和代數(shù)在 25°C 下 R on的溫度依賴性。在 125°C 時(shí)，CoolSiC G2 的 R on比 G1 增加了 12%。然而，它仍然低于 CoolGaN G1 和 CoolMOS 7 至少 20%。

圖2

　　器件電阻對(duì)溫度的依賴性更強(qiáng)，這不會(huì)影響 CoolSiC MOSFET 650 V G2 的整體性能，尤其是在系統(tǒng)級(jí)評(píng)估時(shí)。系統(tǒng)損耗通常是傳導(dǎo)損耗和開(kāi)關(guān)損耗的總和。傳導(dǎo)損耗主要與 R on有關(guān)，但開(kāi)關(guān)損耗取決于不同的參數(shù)。CoolSiC MOSFET G2 的最佳開(kāi)關(guān)行為有助于抵消 Ron 隨溫度而更明顯的增加。它使 G2 表現(xiàn)出色，在 3.3 kW 連續(xù)傳導(dǎo)模式圖騰 (CCM) 極 PFC 測(cè)量中達(dá)到了 99.2% 的穩(wěn)定峰值效率，如圖 3 所示。

圖3

　　除了性能之外，CoolSiC G2 還使設(shè)計(jì)變得更加簡(jiǎn)單。它提供從 -7 V 到 23 V 的廣泛驅(qū)動(dòng)電壓，并出色地支持 0 V 關(guān)斷，這是因?yàn)榧纳鷮?dǎo)通效應(yīng)已降低到可忽略的水平。0 V 關(guān)斷允許使用單極設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化柵極驅(qū)動(dòng)方案，從而確保與基于硅的超結(jié) MOSFET 兼容。

　　另一個(gè)常見(jiàn)的客戶痛點(diǎn)是系統(tǒng)可靠性，尤其是在工業(yè)應(yīng)用中，高可用性和低維護(hù)成本是強(qiáng)烈要求。從可靠性的角度來(lái)看，第二代 CoolSiC MOSFET 是同類產(chǎn)品中最好的，它利用了市場(chǎng)上所有 SiC MOSFET 替代品中最好的柵極氧化物堅(jiān)固性，并提高了宇宙射線的魯棒性。

　　第二代 CoolSiC 技術(shù)的一些獨(dú)特方面通過(guò)先進(jìn)的封裝技術(shù)得到了進(jìn)一步增強(qiáng)。例如，所有分立式 G2 產(chǎn)品均采用 .XT 互連——一種專有的芯片貼裝技術(shù)，能夠降低器件的熱阻 (R th,jc )。到 2024 年中期，CoolSiC 產(chǎn)品組合將由頂部冷卻封裝 (TOLT) 補(bǔ)充。頂部冷卻 SMD 分立式 MOSFET 結(jié)合了 TO 和 SMD 封裝的優(yōu)點(diǎn)——提高了功率密度，降低了組裝成本，并允許更新、更高效的設(shè)計(jì)。

　　為了進(jìn)一步擴(kuò)展產(chǎn)品組合，英飛凌還致力于推出采用特定 8x8 封裝的第二代 650 V 技術(shù)，稱為 ThinTOLL。ThinTOLL 在與任何 8x8 完全兼容的同時(shí)，還提供比標(biāo)準(zhǔn) 8x8 高四倍的板載熱循環(huán) (TCoB) 能力。

　　總而言之，新的 650 V 電壓等級(jí)將通過(guò)精細(xì)且不斷發(fā)展的產(chǎn)品組合充分利用第二代 CoolSiC MOSFET 的性能、易用性和可靠性，并基于先進(jìn)的封裝技術(shù)進(jìn)一步增強(qiáng) G2 的優(yōu)勢(shì)。

　　1200 V MOSFET 系列

　　英飛凌的 .XT 芯片互連技術(shù)可實(shí)現(xiàn)更小的外形尺寸，同時(shí)提供出色的熱性能。采用 .XT 的新型 CoolSiC MOSFET 1200 V G2 由于改進(jìn)了芯片連接工藝，結(jié)殼熱阻提高了 12%，如圖 4 所示。因此，可以實(shí)現(xiàn)更高的輸出電流和更長(zhǎng)的器件壽命。.XT 技術(shù)采用擴(kuò)散焊接方法，以最大限度地減少連接空隙并降低芯片連接層的厚度。

圖4

　　與傳統(tǒng)的硅基 MOSFET 相比，SiC MOSFET 以其在更高溫度下工作的能力而聞名。雖然不同的 SiC MOSFET 技術(shù)和制造商的具體溫度額定值可能有所不同，但大多數(shù) SiC MOSFET 的設(shè)計(jì)都能夠在高達(dá) 175°C 的結(jié)溫下可靠地工作。英飛凌的 CoolSiC MOSFET 1200 V G2 可在高達(dá) 200°C 的溫度下工作，累計(jì)總時(shí)間為 100 小時(shí)。引入此設(shè)備規(guī)范是為了在過(guò)載條件下提高可靠性，并為工程師提供更大的系統(tǒng)設(shè)計(jì)自由度。SiC MOSFET 承受短時(shí)間過(guò)載的能力是各種應(yīng)用中的重要考慮因素。在工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中，突然的負(fù)載變化、額外的扭矩需求、甚至電源波動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致過(guò)載情況，此時(shí)更高的結(jié)溫裕度就很有用。太陽(yáng)能逆變器和并網(wǎng)應(yīng)用是展示過(guò)載情況的其他很好的例子，因?yàn)殡娋W(wǎng)電壓波動(dòng)會(huì)影響電源轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行。電壓驟降會(huì)影響轉(zhuǎn)換器的輸出功率，并暫時(shí)增加功率損耗，在嚴(yán)重的情況下，甚至?xí)瓜到y(tǒng)與電網(wǎng)完全斷開(kāi)。在電動(dòng)汽車充電應(yīng)用中，充電器的電壓波動(dòng)至關(guān)重要。如果輸入電壓下降，電流可能會(huì)暫時(shí)增加，從而給功率器件帶來(lái)額外的壓力。圖 5 顯示了由于更高的溫度限制，8 mΩ 器件的電流能力擴(kuò)大的一個(gè)例子。灰色曲線代表典型的功率半導(dǎo)體，結(jié)溫限制為 175°C。相比之下，CoolSiC G2 的綠色曲線表明，在相同工作點(diǎn)(即 150°C)下可實(shí)現(xiàn)更多電流。

圖5

　　在相同工作條件下，對(duì) G2 器件 IMBG120R026M2H 和 G1 器件 IMBG120R030M1H 進(jìn)行詳細(xì)的損耗比較顯示，G2 器件的傳導(dǎo)損耗減少了 0.7 W(~3.5%)，總開(kāi)關(guān)損耗減少了 5.75 W(~23%)。由于損耗減少和 R th,jc更好，其整體工作結(jié)溫也較低。

　　縮短死區(qū)時(shí)間，帶來(lái)更多好處

　　如今的 MOSFET 能夠在數(shù)十納秒 (ns) 的范圍內(nèi)進(jìn)行切換。數(shù)據(jù)表中提供的開(kāi)關(guān)能量曲線顯示，通過(guò)減少第三象限操作中驅(qū)動(dòng)電壓的死區(qū)時(shí)間(體二極管在通道打開(kāi)之前導(dǎo)通的時(shí)間)，可以顯著降低器件恢復(fù)損耗和開(kāi)啟損耗。建議的死區(qū)時(shí)間范圍在 150 ns 到 300 ns 之間。通過(guò)實(shí)施建議值，與標(biāo)稱器件值相比，開(kāi)啟損耗可減少 20%，恢復(fù)損耗可減少 40%。

　　死區(qū)時(shí)間限制取決于多種因素，例如器件和電路中的寄生效應(yīng)、柵極驅(qū)動(dòng)器的速度以及開(kāi)關(guān)電流水平。使用最匹配的 G2 器件替換 CoolSiC MOSFET G1 可將所需死區(qū)時(shí)間縮短 30%，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)的寄生電容有所改善。這為設(shè)計(jì)提供了更大的裕度，即使是在簡(jiǎn)單的即插即用 MOSFET 替換的情況下也是如此。

　　2kV 分立 CoolSiC MOSFET

　　新型 2 kV 分立 CoolSiC MOSFET 有助于開(kāi)發(fā)更高效、更具成本效益且更簡(jiǎn)化的儲(chǔ)能和光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)，滿足這些應(yīng)用中對(duì)更高直流鏈電壓日益增長(zhǎng)的需求。

　　為了提高功率水平，光伏系統(tǒng)正在向更高的系統(tǒng)電壓過(guò)渡——1500 V DC 正變得越來(lái)越流行。這一轉(zhuǎn)變旨在降低功率損耗和系統(tǒng)成本，使可再生能源更加實(shí)惠。

　　設(shè)計(jì)直流鏈路電壓為 1500 V 的太陽(yáng)能逆變器時(shí)，有兩種選擇。第一種選擇是使用 3 級(jí)升壓器作為直流-直流最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT) 級(jí)，使用 3 級(jí)拓?fù)?，例如有源中性點(diǎn)鉗位 (ANPC) 作為直流-交流級(jí)。這兩個(gè)級(jí)都使用 1200 V 級(jí)設(shè)備，以確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)安全可靠。但是，這種方法相對(duì)更復(fù)雜，元件數(shù)量也更多。第二種選擇是使用簡(jiǎn)化的 2 級(jí)拓?fù)浜透唠妷旱燃?jí)的設(shè)備。根據(jù)所用半導(dǎo)體器件的性能，這種方法可能會(huì)更高效。設(shè)計(jì)人員通常選擇分立器件來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)成本、提高設(shè)計(jì)靈活性并降低總體擁有成本。

　　目前，最高電壓等級(jí)中最常見(jiàn)的分立半導(dǎo)體器件是 1700 V 器件。雖然在具有簡(jiǎn)化的 2 級(jí)拓?fù)涞?1500 V太陽(yáng)能逆變器系統(tǒng)中使用 1700 V 級(jí) MOSFET似乎是一種可行的選擇，但必須考慮宇宙輻射引起的故障的影響。當(dāng)阻斷電壓超過(guò)額定電壓的 80% 時(shí)，這些故障會(huì)急劇增加。因此，在具有 2 級(jí)拓?fù)涞? 1500 V 太陽(yáng)能逆變器系統(tǒng)中使用 1700 V 級(jí) MOSFET 會(huì)顯著增加其故障率。

　　2kV CoolSiC MOSFET

　　英飛凌采用分立式封裝的全新 CoolSiC MOSFET 2 kV 可以緩解設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和可靠性問(wèn)題。將使用 2 kV CoolSiC MOSFET 和二極管的太陽(yáng)能逆變器的性能和物料清單與采用 1200 V 器件的逆變器設(shè)計(jì)進(jìn)行了比較。系統(tǒng)級(jí)仿真結(jié)果表明，采用 CoolSiC 2 kV 的 2 級(jí)升壓級(jí)的損耗比采用 1200 V MOSFET 的 3 級(jí)升壓級(jí)低 20%。同樣，采用 CoolSiC 2 kV 的 2 級(jí) DC-AC 級(jí)的功率損耗比采用 1200 V 器件的 3 級(jí) ANPC 級(jí)低 15%。PCIM 2024 上的論文“1500 V DC 鏈路系統(tǒng)中 CoolSiC 2 kV SiC MOSFET 分立器件的性能評(píng)估”將介紹模擬和測(cè)量數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析。

圖6

　　新型 CoolSiC 2 kV 采用新型分立式 TO-247PLUS-4-HCC 高爬電距離和間隙封裝(如圖 6 所示)，可確保高壓絕緣穩(wěn)健性和可靠運(yùn)行。產(chǎn)品組合包括 CoolSiC MOSFET 2 kV 和肖特基二極管 2 kV，具有優(yōu)化的開(kāi)關(guān)性能和高阻斷電壓，是 1500 V DC系統(tǒng)的理想選擇。新型 2 kV MOSFET 的這些特性使開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)化且可靠的設(shè)計(jì)成為可能，使其成為需要高效率、低零件數(shù)量和更小系統(tǒng)尺寸和重量的應(yīng)用的理想解決方案。

　　高功率碳化硅模塊

　　英飛凌推出兩款采用堅(jiān)固耐用的 .XT 互連技術(shù)的新型 3.3 kV 級(jí)碳化硅 (SiC) 模塊，進(jìn)一步提升了電源和技術(shù)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)。這些模塊旨在為任務(wù)要求高、循環(huán)要求高的應(yīng)用提供高功率(~1.5 MW)。這些模塊包括：

　　FF2000UXTR33T2M1：室溫導(dǎo)通電阻為 1.9 mΩ，標(biāo)稱電流額定值為 1000 A

　　FF2600UXTR33T2M1：室溫導(dǎo)通電阻為 2.5 mΩ，標(biāo)稱電流額定值為 750 A

　　3.3 kV 額定電壓的 CoolSiC MOSFET 經(jīng)過(guò)優(yōu)化，具有快速開(kāi)關(guān)和低振蕩趨勢(shì)，從而降低了總動(dòng)態(tài)損耗。通過(guò)在同步整流模式下使用 XHP 2 CoolSiC MOSFET 并優(yōu)化死區(qū)時(shí)間，150°C 時(shí)的總動(dòng)態(tài)損耗可進(jìn)一步降低約 30%。這意味著減少續(xù)流階段開(kāi)始和結(jié)束的時(shí)間，在此期間負(fù)載電流通過(guò)集成體二極管傳導(dǎo)。CoolSiC MOSFET 3.3 kV 采用對(duì)稱設(shè)計(jì)和低電感(L S = 10 nH)XHP 2 封裝，可充分利用快速開(kāi)關(guān) SiC MOSFET 在高壓和大電流應(yīng)用中的潛力。

　　為了突出新型 SiC 功率模塊可為牽引變流器提供的更高功率密度，我們將其性能與 3.3 kV IGBT IHV 的性能進(jìn)行了比較，后者仍在許多鐵路牽引變流器中使用。具體來(lái)說(shuō)，我們將基于 3.3 kV IGBT IHV 解決方案 (FZ2400R33H34) 的 2 級(jí) 3 相電機(jī)逆變器的性能與基于新型 3.3 kV SiC XHP 2 模塊 (兩個(gè)并聯(lián)的 FF2000UXTR33T2M1) 的 2 級(jí) 3 相電機(jī)逆變器的性能進(jìn)行了比較。

　　比較是在以下條件下進(jìn)行的：1800 V 直流鏈路電壓 (VDC)、功率因數(shù) (pf) 0.9、調(diào)制指數(shù) (m) 0.9 和水冷散熱器的 60°C 冷卻液溫度 (Ta)。除了占地面積減少近 50% 之外，基于 SiC 的解決方案還降低了 50% 的總損耗，從而在相同開(kāi)關(guān)頻率 (1.5 kHz) 下輸出電流增加 50%，或者在四倍高開(kāi)關(guān)頻率 (6 kHz 而不是 1.5 kHz) 下輸出電流相同。

　　XHP 2 CoolSiC MOSFET 的主要特性包括更低的損耗、更高的開(kāi)關(guān)頻率和更高的功率密度，這些特性可直接轉(zhuǎn)化為多種系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。更低的損耗有助于在系統(tǒng)層面節(jié)省約 10% 的能源，并可實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)化、更安靜的冷卻系統(tǒng)。例如，通過(guò)使用被動(dòng)運(yùn)動(dòng)冷卻代替強(qiáng)制風(fēng)冷。以更高的開(kāi)關(guān)頻率運(yùn)行轉(zhuǎn)換器可降低電機(jī)噪音，并可使磁性元件尺寸更小、重量更輕。更高的功率密度有助于將轉(zhuǎn)換器體積減少約 10% 至 25%。減少系統(tǒng)體積和重量非常重要，尤其是在混合動(dòng)力列車的情況下。在這里，額外的空間和減輕的重量可用于增加尺寸，從而車載牽引電池的容量。此外，更輕的系統(tǒng)重量和更高的效率將允許更好地利用可用能量并有助于實(shí)現(xiàn)所需的行駛里程?；蛘?，如果已經(jīng)達(dá)到所需的行駛里程，更輕的系統(tǒng)重量和更高的效率將有助于優(yōu)化和降低安裝牽引電池的成本，而這仍然是非常昂貴的。

　　除了高輸出功率外，鐵路牽引和風(fēng)力發(fā)電等許多應(yīng)用還需要強(qiáng)大的功率循環(huán)性能和更長(zhǎng)的設(shè)備壽命。由于碳化硅的芯片尺寸較小且具有特定的材料特性(例如，楊氏模量高于硅)，因此將碳化硅用于此類應(yīng)用更具挑戰(zhàn)性。在循環(huán)條件下，這些因素會(huì)導(dǎo)致相鄰互連層上的熱機(jī)械應(yīng)力更大，從而降低模塊的功率循環(huán)能力。

　　英飛凌的 .XT 技術(shù)可以通過(guò)提高互連層的堅(jiān)固性來(lái)補(bǔ)償這種影響。采用 .XT 的 XHP 2 CoolSiC MOSFET 3.3 kV 在 SiC 芯片的銅正面金屬化層上具有堅(jiān)固的銅鍵合線，在基板上具有燒結(jié)芯片，并且具有高度可靠的系統(tǒng)焊料。這提高了產(chǎn)品的循環(huán)能力和使用壽命，將 SiC 功率循環(huán)性能提升到了一個(gè)新的水平。

　　為了說(shuō)明.XT 的強(qiáng)大功能，基于區(qū)域混合推進(jìn)列車中的線路轉(zhuǎn)換器的示例性任務(wù)概況，對(duì)采用標(biāo)準(zhǔn)連接技術(shù)(Al 鍵合線、芯片的 Al 正面金屬化、芯片焊料、系統(tǒng)焊料)的 SiC 和采用 .XT 的 SiC 進(jìn)行了壽命模擬。

圖7

　　模擬結(jié)果表明，.XT 將產(chǎn)品的使用壽命延長(zhǎng)了一個(gè)數(shù)量級(jí)——從采用標(biāo)準(zhǔn)連接技術(shù)的 SiC 的約 4 年到采用 .XT 的 SiC 的約 40 年。這表明，XT 對(duì)于在較高結(jié)溫下充分利用碳化硅至關(guān)重要。要實(shí)現(xiàn)采用標(biāo)準(zhǔn)連接技術(shù)的 SiC 所需的 30 年使用壽命，必須顯著降低運(yùn)行期間的最高結(jié)溫。

　　這意味著需要更大的芯片面積來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的輸出電流。由于需要在模塊級(jí)別并聯(lián)，這也會(huì)導(dǎo)致復(fù)雜性和成本的增加。

　　除了提供一流的循環(huán)能力外，.XT for XHP 2 CoolSiC MOSFET 的優(yōu)勢(shì)還包括高浪涌電流耐受性和短路耐受時(shí)間。這為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員處理故障提供了更大的自由度。

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