【導讀】近年來(lái)，為了更好地實(shí)現自然資源可持續利用，需要更多節能產(chǎn)品，因此，關(guān)于焊機能效的強制性規定應運而生。經(jīng)改進(jìn)的碳化硅CoolSiC? MOSFET 1200 V采用基于.XT擴散焊技術(shù)的TO-247封裝，其非常規封裝和熱設計方法通過(guò)改良設計提高了能效和功率密度。
“引言”
近年來(lái)，為了更好地實(shí)現自然資源可持續利用，需要更多節能產(chǎn)品，因此，關(guān)于焊機能效的強制性規定應運而生。經(jīng)改進(jìn)的碳化硅CoolSiC? MOSFET 1200 V采用基于.XT擴散焊技術(shù)的TO-247封裝，其非常規封裝和熱設計方法通過(guò)改良設計提高了能效和功率密度。
文：英飛凌科技高級應用工程師Jorge Cerezo
逆變焊機通常是通過(guò)功率模塊解決方案設計來(lái)實(shí)現更高輸出功率，從而幫助降低節能焊機的成本、重量和尺寸[1]。
在焊機行業(yè)，諸如提高效率、降低成本和增強便攜性（即，縮小尺寸并減輕重量）等趨勢一直是促進(jìn)持續發(fā)展的推動(dòng)力。譬如，多個(gè)標準法規已經(jīng)或即將強制規定焊機的電源效率達到特定水平。其中一個(gè)例子是，2023年1月1日生效的針對焊接設備的歐盟（EU）最新法規[2]。因此，對于使用功率模塊作為典型解決方案的10kW至40kW中等功率焊機，順應這些趨勢現在已變得非常困難。
英飛凌CoolSiC MOSFET 1200 V采用基于.XT擴散焊技術(shù)的TO-247封裝，大大提升了器件的熱性能和可靠性。結合特定的冷卻設計（“為了增加散熱，將器件單管直接貼裝在散熱片上，而未進(jìn)行任何電氣隔離”[3]），它提供了更出色的器件單管解決方案（圖1）。它可實(shí)現更高輸出功率，提高效率和功率密度，并降低中功率焊機的成本。
圖1：采用未與散熱片隔離的1200 V CoolSiC MOSFET單管的焊機電源
采用.XT擴散焊技術(shù)的CoolSiC MOSFET單管
增強型CoolSiC MOSFET 1200 V充分利用了基于英飛凌.XT擴散焊技術(shù)的改良型TO-247封裝。這項技術(shù)采用先進(jìn)的擴散焊工藝。如[4]中所作詳細討論，這種封裝技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是大幅減小焊接層的厚度（圖2），其中，特定的金屬合金結合可顯著(zhù)提高導熱率。這一特性降低了器件的結-殼熱阻（Rthj-case）和熱阻抗（Zthj-case）。
這種焊接工藝可避免芯片偏斜和焊料溢出，并實(shí)現幾乎無(wú)空隙的焊接界面，從而提高器件的可靠性。此外，它提高了器件在熱-機械應力下的性能，這意味著(zhù)器件在主動(dòng)和被動(dòng)熱循環(huán)測試條件下具有更出色的性能?？偟膩?lái)說(shuō)，采用基于.XT擴散焊技術(shù)的TO-247封裝的CoolSiC MOSFET 1200 V，可使焊機電源設計實(shí)現更好的熱性能和可靠性。
圖2：英飛凌.XT擴散焊技術(shù)較之于常規軟焊工藝
采用CoolSiC MOSFET器件單管的500 A焊機電源逆變器設計
一家大型制造商的焊機，其獨特的500 A電源逆變器設計展示基于.XT擴散焊技術(shù)TO-247封裝的CoolSiC MOSFET 1200 V，用于中等功率焊機的改良型解決方案。它使用了前文探討的冷卻概念，如圖1所示，器件貼裝在散熱片上而不進(jìn)行電氣隔離。此外，為了證實(shí)其具備更好的性能，在相同的測試條件下，將其與主要競爭對手的SiC MOSFET進(jìn)行了對比。
焊機電源由一個(gè)三相輸入，全橋拓撲逆變器構成，使用了英飛凌提供的4顆TO-247 4引腳封裝的基于.XT互連技術(shù)（IMZA120R020M1H）的20 m? 1200 V CoolSiC MOSFET。
表1列出了逆變焊接的基本技術(shù)規格：
表1：焊機電源逆變器基本技術(shù)規格
請注意，相比于在10kHz至20kHz開(kāi)關(guān)頻率下工作的中等功率焊機所用的典型IGBT模塊解決方案，SiC MOSFET的超高開(kāi)關(guān)速度能夠顯著(zhù)提高典型工作開(kāi)關(guān)頻率。這有助于縮小磁性元件和無(wú)源器件的尺寸，從而縮小逆變器尺寸。
此外，為了滿(mǎn)足表1所列要求，選擇了適當的散熱片和空氣流，以提供適當的熱時(shí)間常數。所有散熱片均在大約5分鐘后達到熱穩態(tài)條件，冷卻系統設計亦隨之達到熱穩態(tài)條件（圖3）。這樣一來(lái)，在最大運行要求的60%焊接占空比內，SiC MOSFET器件即已達到熱穩態(tài)條件。
圖3：散熱器的熱穩態(tài)條件和散熱能力
電源逆變器測試條件如下：
-輸出功率：408 A、47.7 V、~19.5 kW。目標輸出功率：20 kW、500 A、40 V
-持續率：60%，6分鐘開(kāi)、4分鐘關(guān)
-逆變器DC母線(xiàn)電壓：530 VDC
-開(kāi)關(guān)頻率：50 kHz
-VGS（20 m? CoolSiC MOSFET）：18/-3 V
-VGS（競品20 m? SiC MOSFET）：20/-4 V
-低邊散熱片Rth：~0.36 K/W
-高邊散熱片Rth：~0.22 K/W
-導熱膏導熱率：6.0 W/mK
-貼裝夾持力：60 N（13.5磅）
-環(huán)境溫度：室溫
-強制空氣冷卻
-RCL負載
正如預期的那樣，由于適當的柵極驅動(dòng)器、RC緩沖器和PCB布局設計，英飛凌CoolSiC MOSFET與競品SiC MOSFET之間沒(méi)有顯著(zhù)差異，二者都表現出相似的波形性能（圖4）。
圖4：焊機電源逆變器工作期間的典型SiC MOSFET波形
然而，散熱和功率損耗測試結果則表明，CoolSiC MOSFET的性能更加出色。溫度曲線(xiàn)圖（圖5）顯示，20 m? IMZA120R020M1H CoolSiC MOSFET的性能明顯優(yōu)于競品器件。平均而言，相比于競品器件，CoolSiC MOSFET的散熱片溫度降低了約6%，估算的功率損耗降低了17%，殼溫降低了14%。
此外，CoolSiC MOSFET在運行5分鐘后即達到熱穩態(tài)條件，符合基于冷卻設計數據的預計。另一方面，競品SiC MOSFET一直未達到熱穩態(tài)條件，這意味著(zhù)其功率損耗在系統運行6分鐘后仍在增加。
圖5：20 m? 1200 V SiC MOSFET在60%焊接直流電源工作狀態(tài)下的散熱和功率損耗——英飛凌CoolSiC MOSFET IMZA120R020M1H較之于主要競爭對手的器件
最后，哪怕考慮到最高40°C環(huán)境溫度，這種SiC MOSFET單管解決方案亦可輕松滿(mǎn)足最高80°C散熱片溫度要求。
總而言之，測試結果證實(shí)并證明，CoolSiC MOSFET單管解決方案通過(guò)采用直接將器件貼裝在散熱片上而不進(jìn)行電氣隔離的冷卻概念，可助力實(shí)現通常選用功率模塊解決方案的20 kW及以上中功率焊機的逆變器設計。
結語(yǔ)
測試證實(shí)，采用基于.XT擴散焊技術(shù)的TO-247封裝的CoolSiC MOSFET 1200 V，結合知名非常規冷卻設計，實(shí)現更出色的焊機電源。這種設計大大提高了散熱性能，實(shí)現比功率模塊解決方案更高輸出功率水平。英飛凌.XT互連技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，有助于提高散熱性能，從而提高逆變器的可靠性和使用壽命。文中提出的單管解決方案能夠實(shí)現更高效率和功率密度，幫助滿(mǎn)足對更高能效焊機的需求，同時(shí)順應焊機行業(yè)發(fā)展趨勢，如降低成本、重量和尺寸。
參考資料
[1] 本文是作者（Jorge Cerezo）在紐倫堡PCIM Europe 2022發(fā)表的論文《使用基于.XT互連技術(shù)的1200 V CoolSiC MOSFET單管提高焊機功率效率》的更新版本。https://pcim.mesago.com/nuernberg/en.html
[2] 按照歐洲議會(huì )和理事會(huì )指令2009/125/EC的要求，歐盟委員會(huì )（EU）2019/1784于2019年10月1日規定了針對焊接設備的生態(tài)設計要求。
[3] 《TO-247PLUS IGBT單管助力提高焊接設備功率密度》，AN2019-10，英飛凌科技股份公司。
[4] M. Holz、J. Hilsenbeck、R. Otremba、A. Heinrich、P. Türkes、R. Rupp等合著(zhù)《SiC功率器件：使用擴散焊技術(shù)改進(jìn)產(chǎn)品》，Materials Science Forum，第615-617卷（2009年）第613-616頁(yè)。
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