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          采用SiC MOSFET的高性能逆變焊機(jī)設(shè)計要點

          作者: 時間:2023-06-09 來源:英飛凌 收藏

          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(guān)于焊機(jī)能效的強(qiáng)制性規(guī)定應(yīng)運(yùn)而生。經(jīng)改進(jìn)的碳化硅CoolSiC? 1200V采用基于.XT擴(kuò)散焊技術(shù)的TO-247封裝,其非常規(guī)封裝和熱設(shè)計方法通過改良設(shè)計提高了能效和功率密度。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202306/447521.htm

          逆變焊機(jī)通常是通過IGBT功率模塊解決方案設(shè)計來實現(xiàn)更高輸出功率,從而幫助降低節(jié)能焊機(jī)的成本、重量和尺寸[1]。

          在焊機(jī)行業(yè),諸如提高效率、降低成本和增強(qiáng)便攜性(即,縮小尺寸并減輕重量)等趨勢一直是促進(jìn)持續(xù)發(fā)展的推動力。譬如,多個標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)已經(jīng)或即將強(qiáng)制規(guī)定焊機(jī)的電源效率達(dá)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(shè)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(jī),順應(yīng)這些趨勢現(xiàn)在已變得非常困難。

          CoolSiC? 1200V采用基于.XT擴(kuò)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(jié)合特定的冷卻設(shè)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(jī)的成本。

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          圖1:采用未與散熱片隔離的1200V CoolSiC? 單管的焊機(jī)電源

          采用.XT擴(kuò)散焊技術(shù)的CoolSiC? MOSFET單管

          增強(qiáng)型CoolSiC? MOSFET 1200V充分利用了基于.XT擴(kuò)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(kuò)散焊工藝。如[4]中所作詳細(xì)討論,這種封裝技術(shù)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(jié)合可顯著提高導(dǎo)熱率。這一特性降低了器件的結(jié)-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(jī)械應(yīng)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(kuò)散焊技術(shù)的TO-247封裝的CoolSiC? MOSFET 1200V,可使焊機(jī)電源設(shè)計實現(xiàn)更好的熱性能和可靠性。

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          圖2:.XT擴(kuò)散焊技術(shù)較之于常規(guī)軟焊工藝

          采用CoolSiC? MOSFET器件單管的500A逆變焊機(jī)功率變換器設(shè)計

          一家大型制造商的焊機(jī),其獨(dú)特的500A功率變換器設(shè)計展示基于.XT擴(kuò)散焊技術(shù)TO-247封裝的CoolSiC? MOSFET 1200V,用于中等功率焊機(jī)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(jī)電源由一個三相輸入,全橋拓?fù)淠孀兤鳂?gòu)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20m? 1200V CoolSiC? MOSFET。表1列出了逆變焊接的基本技術(shù)規(guī)格:

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          表1:焊機(jī)電源逆變器基本技術(shù)規(guī)格

          請注意,相比于在10kHz至20kHz開關(guān)頻率下工作的中等功率焊機(jī)所用的典型IGBT模塊解決方案,SiC MOSFET的超高開關(guān)速度能夠顯著提高典型工作開關(guān)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(dāng)?shù)纳崞涂諝饬?,以提供適當(dāng)?shù)臒釙r間常數(shù)。所有散熱片均在大約5分鐘后達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)條件,冷卻系統(tǒng)設(shè)計亦隨之達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)條件(圖3)。這樣一來,在最大運(yùn)行要求的60%焊接占空比內(nèi),SiC MOSFET器件即已達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)條件。

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          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:408A、47.7V、~19.5kW。目標(biāo)輸出功率:20kW、500A、40V

          ●   暫載率:60%,6分鐘開、4分鐘關(guān)

          ●   逆變器DC母線電壓:530 VDC

          ●   開關(guān)頻率:50kHz

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

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

          ●   上橋臂散熱片Rth:~0.36K/W

          ●   下橋臂散熱片Rth:~0.22K/W

          ●   導(dǎo)熱膏導(dǎo)熱率:6.0W/mK

          ●   貼裝夾持力:60N(13.5磅)

          ●   環(huán)境溫度:室溫

          ●   強(qiáng)制空氣冷卻

          ●   RCL負(fù)載

          正如預(yù)期的那樣,由于適當(dāng)?shù)臇艠O驅(qū)動器、RC緩沖器和PCB布局設(shè)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)。

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          圖4:焊機(jī)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(jié)果則表明,CoolSiC? MOSFET的性能更加出色。溫度曲線圖(圖5)顯示,20m? 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(yùn)行5鐘后即達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)條件,符合基于冷卻設(shè)計數(shù)據(jù)的預(yù)計。另一方面,競品SiC MOSFET一直未達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)條件,這意味著其功率損耗在系統(tǒng)運(yùn)行6分鐘后仍在增加。

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          圖5:20m? 1200V SiC MOSFET在60%暫載率工作狀態(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(jié)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(jìn)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20kW及以上中功率焊機(jī)的逆變器設(shè)計。

          結(jié)語 

          測試證實,采用基于.XT擴(kuò)散焊技術(shù)的TO-247封裝的CoolSiC? MOSFET 1200V,結(jié)合知名非常規(guī)冷卻設(shè)計,實現(xiàn)更出色的焊機(jī)電源。這種設(shè)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(shù)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?qū)崿F(xiàn)更高效率和功率密度,幫助滿足對更高能效焊機(jī)的需求,同時順應(yīng)焊機(jī)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(jī)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(shè)備的生態(tài)設(shè)計要求。

          [3] 《TO-247PLUS IGBT單管助力提高焊接設(shè)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(kuò)散焊技術(shù)改進(jìn)產(chǎn)品》,Materials Science Forum,第615-617卷(2009年)第613-616頁。

          來源:英飛凌科技高級應(yīng)用工程師Jorge Cerezo



          關(guān)鍵詞: 英飛凌 MOSFET

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