采用增強互連封裝技術的1200 V SiC MOSFET單管設計高能效焊機

“引言”

近年來，為了更好地實現(xiàn)自然資源可持續(xù)利用，需要更多節(jié)能產(chǎn)品，因此，關于焊機能效的強制性規(guī)定應運而生。經(jīng)改進的碳化硅CoolSiC? MOSFET 1200 V采用基于.XT擴散焊技術的TO-247封裝，其非常規(guī)封裝和熱設計方法通過改良設計提高了能效和功率密度。

逆變焊機通常是通過功率模塊解決方案設計來實現(xiàn)更高輸出功率，從而幫助降低節(jié)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）等趨勢一直是促進持續(xù)發(fā)展的推動力。譬如，多個標準法規(guī)已經(jīng)或即將強制規(guī)定焊機的電源效率達到特定水平。其中一個例子是，2023年1月1日生效的針對焊接設備的歐盟（EU）最新法規(guī)^[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(xiàn)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，而未進行任何電氣隔離”^[3]），它提了更出色的器件單管解決方案（圖1）。它可實現(xiàn)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擴散焊技術的改良型TO-247封裝。這項技術采用先進的擴散焊工藝。如[4]中所作詳細討論，這種封裝技術的主要優(yōu)點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提高導熱率。這一特性降低了器件的結-殼熱阻（R_thj-case）和熱阻抗（Z_thj-case）。

這種焊接工藝可避免芯片偏斜和焊料溢出，并實現(xiàn)幾乎無空隙的焊接界面，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，這意味著器件在主動和被動熱循環(huán)測試條件下具有更出色的性能?？偟膩碚f，采用基于.XT擴散焊技術的TO-247封裝的CoolSiC MOSFET 1200 V，可使焊機電源設計實現(xiàn)更好的熱性能和可靠性。 

 圖2：英飛凌.XT擴散焊技術較之于常規(guī)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行電氣隔離。此外，為了證實其具備更好的性能，在相同的測試條件下，將其與主要競爭對手的SiC MOSFET進行了對比。

焊機電源由一個三相輸入，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（IMZA120R020M1H）的20 m? 1200 V CoolSiC MOSFET。表1列出了逆變焊接的基本技術規(guī)格：

表1：焊機電源逆變器基本技術規(guī)格

請注意，相比于在10kHz至20kHz開關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的超高開關速度能夠顯著提高典型工作開關頻率。這有助于縮小磁性元件和無源器件的尺寸，從而縮小逆變器尺寸。

此外，為了滿足表1所列要求，選擇了適當?shù)纳崞涂諝饬?，以提供適當?shù)臒釙r間常數(shù)。所有散熱片均在大約5分鐘后達到熱穩(wěn)態(tài)條件，冷卻系統(tǒng)設計亦隨之達到熱穩(wěn)態(tài)條件（圖3）。這樣一來，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(wěn)態(tài)條件。 

圖3：散熱器的熱穩(wěn)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(xù)率：60%，6分鐘開、4分鐘關

-        逆變器DC母線電壓：530 V_DC

-        開關頻率：50 kHz

-        V_GS（20 m? CoolSiC MOSFET）：18/-3 V

-        V_GS（競品20 m? SiC MOSFET）：20/-4 V

-        低邊散熱片R_th：~0.36 K/W

-        高邊散熱片R_th：~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?shù)臇艠O驅動器、RC緩沖器和PCB布局設計，英飛凌CoolSiC MOSFET與競品SiC MOSFET之間沒有顯著差異，二者都表現(xiàn)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(wěn)態(tài)條件，符合基于冷卻設計數(shù)據(jù)的預計。另一方面，競品SiC MOSFET一直未達到熱穩(wěn)態(tài)條件，這意味著其功率損耗在系統(tǒng)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足最高80°C散熱片溫度要求。

總而言之，測試結果證實并證明，CoolSiC MOSFET單管解決方案通過采用直接將器件貼裝在散熱片上而不進行電氣隔離的冷卻概念，可助力實現(xiàn)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

測試證實，采用基于.XT擴散焊技術的TO-247封裝的CoolSiC MOSFET 1200 V，結合知名非常規(guī)冷卻設計，實現(xiàn)更出色的焊機電源。這種設計大大提高了散熱性能，實現(xiàn)比功率模塊解決方案更高輸出功率水平。英飛凌.XT互連技術的優(yōu)點，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現(xiàn)更高效率和功率密度，幫助滿足對更高能效焊機的需求，同時順應焊機行業(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] 按照歐洲議會和理事會指令2009/125/EC的要求，歐盟委員會（EU）2019/1784于2019年10月1日規(guī)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《SiC功率器件：使用擴散焊技術改進產(chǎn)品》，Materials Science Forum，第615-617卷（2009年）第613-616頁。