英飛凌已發布其第二代 CoolSIC MOSFET 器件，電壓等級為 650 V、1200 V 和 3300 V，面向電動汽車充電、工業太陽能逆變器、伺服驅動器、UPS 和鐵路牽引等高壓工業應用。對于服務器功率因數校正、多級太陽能拓撲和高功率驅動器等低壓應用，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。

　　工業級 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。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現業界領先的平衡 — 這些特性有助于贏得客戶對新型 SiC 技術的信任。G2 在此基礎上增加了更好的性能、更大的使用靈活性和先進的封裝技術，同時保持了 G1 相對于柵極氧化層 (GoX) 的可靠性和穩健性。英飛凌第二代 SiC MOSFET 的開關行為引人注目。圖 1 所示的性能系數 (FOM) 圖突出顯示了與上一代相比的顯著改進。

圖1

　　強勁的 FOM 表明，英飛凌的 G2 SiC MOSFET 可以成功適應高頻設計，這是軟開關拓撲的典型特征。總體而言，它們可以實現更高的系統功率密度。有趣的是，CoolSiC G2 開關性能的改善平衡了熱系數的增加。圖 2 顯示了不同英飛凌 650 V 功率器件技術和代數在 25°C 下 R on的溫度依賴性。在 125°C 時，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

　　器件電阻對溫度的依賴性更強，這不會影響 CoolSiC MOSFET 650 V G2 的整體性能，尤其是在系統級評估時。系統損耗通常是傳導損耗和開關損耗的總和。傳導損耗主要與 R on有關，但開關損耗取決于不同的參數。CoolSiC MOSFET G2 的最佳開關行為有助于抵消 Ron 隨溫度而更明顯的增加。它使 G2 表現出色，在 3.3 kW 連續傳導模式圖騰 (CCM) 極 PFC 測量中達到了 99.2% 的穩定峰值效率，如圖 3 所示。

圖3

　　除了性能之外，CoolSiC G2 還使設計變得更加簡單。它提供從 -7 V 到 23 V 的廣泛驅動電壓，并出色地支持 0 V 關斷，這是因為寄生導通效應已降低到可忽略的水平。0 V 關斷允許使用單極設計簡化柵極驅動方案，從而確保與基于硅的超結 MOSFET 兼容。

　　另一個常見的客戶痛點是系統可靠性，尤其是在工業應用中，高可用性和低維護成本是強烈要求。從可靠性的角度來看，第二代 CoolSiC MOSFET 是同類產品中最好的，它利用了市場上所有 SiC MOSFET 替代品中最好的柵極氧化物堅固性，并提高了宇宙射線的魯棒性。

　　第二代 CoolSiC 技術的一些獨特方面通過先進的封裝技術得到了進一步增強。例如，所有分立式 G2 產品均采用 .XT 互連——一種專有的芯片貼裝技術，能夠降低器件的熱阻 (R th,jc )。到 2024 年中期，CoolSiC 產品組合將由頂部冷卻封裝 (TOLT) 補充。頂部冷卻 SMD 分立式 MOSFET 結合了 TO 和 SMD 封裝的優點——提高了功率密度，降低了組裝成本，并允許更新、更高效的設計。

　　為了進一步擴展產品組合，英飛凌還致力于推出采用特定 8x8 封裝的第二代 650 V 技術，稱為 ThinTOLL。ThinTOLL 在與任何 8x8 完全兼容的同時，還提供比標準 8x8 高四倍的板載熱循環 (TCoB) 能力。

　　總而言之，新的 650 V 電壓等級將通過精細且不斷發展的產品組合充分利用第二代 CoolSiC MOSFET 的性能、易用性和可靠性，并基于先進的封裝技術進一步增強 G2 的優勢。

　　1200 V MOSFET 系列

　　英飛凌的 .XT 芯片互連技術可實現更小的外形尺寸，同時提供出色的熱性能。采用 .XT 的新型 CoolSiC MOSFET 1200 V G2 由于改進了芯片連接工藝，結殼熱阻提高了 12%，如圖 4 所示。因此，可以實現更高的輸出電流和更長的器件壽命。.XT 技術采用擴散焊接方法，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 技術和制造商的具體溫度額定值可能有所不同，但大多數 SiC MOSFET 的設計都能夠在高達 175°C 的結溫下可靠地工作。英飛凌的 CoolSiC MOSFET 1200 V G2 可在高達 200°C 的溫度下工作，累計總時間為 100 小時。引入此設備規范是為了在過載條件下提高可靠性，并為工程師提供更大的系統設計自由度。SiC MOSFET 承受短時間過載的能力是各種應用中的重要考慮因素。在工業電機驅動器中，突然的負載變化、額外的扭矩需求、甚至電源波動也會導致過載情況，此時更高的結溫裕度就很有用。太陽能逆變器和并網應用是展示過載情況的其他很好的例子，因為電網電壓波動會影響電源轉換器的運行。電壓驟降會影響轉換器的輸出功率，并暫時增加功率損耗，在嚴重的情況下，甚至會使系統與電網完全斷開。在電動汽車充電應用中，充電器的電壓波動至關重要。如果輸入電壓下降，電流可能會暫時增加，從而給功率器件帶來額外的壓力。圖 5 顯示了由于更高的溫度限制，8 mΩ 器件的電流能力擴大的一個例子?；疑€代表典型的功率半導體，結溫限制為 175°C。相比之下，CoolSiC G2 的綠色曲線表明，在相同工作點(即 150°C)下可實現更多電流。

圖5

　　在相同工作條件下，對 G2 器件 IMBG120R026M2H 和 G1 器件 IMBG120R030M1H 進行詳細的損耗比較顯示，G2 器件的傳導損耗減少了 0.7 W(~3.5%)，總開關損耗減少了 5.75 W(~23%)。由于損耗減少和 R th,jc更好，其整體工作結溫也較低。

　　縮短死區時間，帶來更多好處

　　如今的 MOSFET 能夠在數十納秒 (ns) 的范圍內進行切換。數據表中提供的開關能量曲線顯示，通過減少第三象限操作中驅動電壓的死區時間(體二極管在通道打開之前導通的時間)，可以顯著降低器件恢復損耗和開啟損耗。建議的死區時間范圍在 150 ns 到 300 ns 之間。通過實施建議值，與標稱器件值相比，開啟損耗可減少 20%，恢復損耗可減少 40%。

　　死區時間限制取決于多種因素，例如器件和電路中的寄生效應、柵極驅動器的速度以及開關電流水平。使用最匹配的 G2 器件替換 CoolSiC MOSFET G1 可將所需死區時間縮短 30%，因為開關的寄生電容有所改善。這為設計提供了更大的裕度，即使是在簡單的即插即用 MOSFET 替換的情況下也是如此。

　　2kV 分立 CoolSiC MOSFET

　　新型 2 kV 分立 CoolSiC MOSFET 有助于開發更高效、更具成本效益且更簡化的儲能和光伏系統設計，滿足這些應用中對更高直流鏈電壓日益增長的需求。

　　為了提高功率水平，光伏系統正在向更高的系統電壓過渡——1500 V DC 正變得越來越流行。這一轉變旨在降低功率損耗和系統成本，使可再生能源更加實惠。

　　設計直流鏈路電壓為 1500 V 的太陽能逆變器時，有兩種選擇。第一種選擇是使用 3 級升壓器作為直流-直流最大功率點跟蹤(MPPT) 級，使用 3 級拓撲，例如有源中性點鉗位 (ANPC) 作為直流-交流級。這兩個級都使用 1200 V 級設備，以確保系統設計安全可靠。但是，這種方法相對更復雜，元件數量也更多。第二種選擇是使用簡化的 2 級拓撲和更高電壓等級的設備。根據所用半導體器件的性能，這種方法可能會更高效。設計人員通常選擇分立器件來優化系統成本、提高設計靈活性并降低總體擁有成本。

　　目前，最高電壓等級中最常見的分立半導體器件是 1700 V 器件。雖然在具有簡化的 2 級拓撲的 1500 V太陽能逆變器系統中使用 1700 V 級 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。當阻斷電壓超過額定電壓的 80% 時，這些故障會急劇增加。因此，在具有 2 級拓撲的 1500 V 太陽能逆變器系統中使用 1700 V 級 MOSFET 會顯著增加其故障率。

　　2kV CoolSiC MOSFET

　　英飛凌采用分立式封裝的全新 CoolSiC MOSFET 2 kV 可以緩解設計挑戰和可靠性問題。將使用 2 kV CoolSiC MOSFET 和二極管的太陽能逆變器的性能和物料清單與采用 1200 V 器件的逆變器設計進行了比較。系統級仿真結果表明，采用 CoolSiC 2 kV 的 2 級升壓級的損耗比采用 1200 V MOSFET 的 3 級升壓級低 20%。同樣，采用 CoolSiC 2 kV 的 2 級 DC-AC 級的功率損耗比采用 1200 V 器件的 3 級 ANPC 級低 15%。PCIM 2024 上的論文“1500 V DC 鏈路系統中 CoolSiC 2 kV SiC MOSFET 分立器件的性能評估”將介紹模擬和測量數據的詳細分析。

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)，可確保高壓絕緣穩健性和可靠運行。產品組合包括 CoolSiC MOSFET 2 kV 和肖特基二極管 2 kV，具有優化的開關性能和高阻斷電壓，是 1500 V DC系統的理想選擇。新型 2 kV MOSFET 的這些特性使開發簡化且可靠的設計成為可能，使其成為需要高效率、低零件數量和更小系統尺寸和重量的應用的理想解決方案。

　　高功率碳化硅模塊

　　英飛凌推出兩款采用堅固耐用的 .XT 互連技術的新型 3.3 kV 級碳化硅 (SiC) 模塊，進一步提升了電源和技術領域的標準。這些模塊旨在為任務要求高、循環要求高的應用提供高功率(~1.5 MW)。這些模塊包括：

　　FF2000UXTR33T2M1：室溫導通電阻為 1.9 mΩ，標稱電流額定值為 1000 A

　　FF2600UXTR33T2M1：室溫導通電阻為 2.5 mΩ，標稱電流額定值為 750 A

　　3.3 kV 額定電壓的 CoolSiC MOSFET 經過優化，具有快速開關和低振蕩趨勢，從而降低了總動態損耗。通過在同步整流模式下使用 XHP 2 CoolSiC MOSFET 并優化死區時間，150°C 時的總動態損耗可進一步降低約 30%。這意味著減少續流階段開始和結束的時間，在此期間負載電流通過集成體二極管傳導。CoolSiC MOSFET 3.3 kV 采用對稱設計和低電感(L S = 10 nH)XHP 2 封裝，可充分利用快速開關 SiC MOSFET 在高壓和大電流應用中的潛力。

　　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 的性能進行了比較，后者仍在許多鐵路牽引變流器中使用。具體來說，我們將基于 3.3 kV IGBT IHV 解決方案 (FZ2400R33H34) 的 2 級 3 相電機逆變器的性能與基于新型 3.3 kV SiC XHP 2 模塊 (兩個并聯的 FF2000UXTR33T2M1) 的 2 級 3 相電機逆變器的性能進行了比較。

　　比較是在以下條件下進行的：1800 V 直流鏈路電壓 (VDC)、功率因數 (pf) 0.9、調制指數 (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，從而在相同開關頻率 (1.5 kHz) 下輸出電流增加 50%，或者在四倍高開關頻率 (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、更高的開關頻率和更高的功率密度，這些特性可直接轉化為多種系統優勢。更低的損耗有助于在系統層面節省約 10% 的能源，并可實現更簡化、更安靜的冷卻系統。例如，通過使用被動運動冷卻代替強制風冷。以更高的開關頻率運行轉換器可降低電機噪音，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換器體積減少約 10% 至 25%。減少系統體積和重量非常重要，尤其是在混合動力列車的情況下。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現所需的行駛里程?；蛘?，如果已經達到所需的行駛里程，更輕的系統重量和更高的效率將有助于優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，鐵路牽引和風力發電等許多應用還需要強大的功率循環性能和更長的設備壽命。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用更具挑戰性。在循環條件下，這些因素會導致相鄰互連層上的熱機械應力更大，從而降低模塊的功率循環能力。

　　英飛凌的 .XT 技術可以通過提高互連層的堅固性來補償這種影響。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固的銅鍵合線，在基板上具有燒結芯片，并且具有高度可靠的系統焊料。這提高了產品的循環能力和使用壽命，將 SiC 功率循環性能提升到了一個新的水平。

　　為了說明.XT 的強大功能，基于區域混合推進列車中的線路轉換器的示例性任務概況，對采用標準連接技術(Al 鍵合線、芯片的 Al 正面金屬化、芯片焊料、系統焊料)的 SiC 和采用 .XT 的 SiC 進行了壽命模擬。

圖7

　　模擬結果表明，.XT 將產品的使用壽命延長了一個數量級——從采用標準連接技術的 SiC 的約 4 年到采用 .XT 的 SiC 的約 40 年。這表明，XT 對于在較高結溫下充分利用碳化硅至關重要。要實現采用標準連接技術的 SiC 所需的 30 年使用壽命，必須顯著降低運行期間的最高結溫。

　　這意味著需要更大的芯片面積來實現所需的輸出電流。由于需要在模塊級別并聯，這也會導致復雜性和成本的增加。

　　除了提供一流的循環能力外，.XT for XHP 2 CoolSiC MOSFET 的優勢還包括高浪涌電流耐受性和短路耐受時間。這為系統設計人員處理故障提供了更大的自由度。

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