采用增強(qiáng)互連封裝技術(shù)的1200 V SiC MOSFET單管設(shè)計(jì)高能效焊機(jī)

“引言”

近年來，為了更好地實(shí)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? MOSFET 1200 V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(jì)方法通過改良設(shè)計(jì)提高了能效和功率密度。

逆變焊機(jī)通常是通過功率模塊解決方案設(shè)計(jì)來實(shí)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(dòng)力。譬如，多個(gè)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(gè)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。

英飛凌CoolSiC MOSFET 1200 V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(jì)（“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]），它提了更出色的器件單管解決方案（圖1）。它可實(shí)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。 

 圖1：采用未與散熱片隔離的1200 V CoolSiC MOSFET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 1200 V充分利用了基于英飛凌.XT擴(kuò)散焊技術(shù)的改良型TO-247封裝。這項(xiàng)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(diǎn)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（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(shí)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(dòng)和被動(dòng)熱循環(huán)測試條件下具有更出色的性能。總的來說，采用基于.XT擴(kuò)散焊技術(shù)的TO-247封裝的CoolSiC MOSFET 1200 V，可使焊機(jī)電源設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)更好的熱性能和可靠性。 

 圖2：英飛凌.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500 A焊機(jī)電源逆變器設(shè)計(jì)

一家大型制造商的焊機(jī)，其獨(dú)特的500 A電源逆變器設(shè)計(jì)展示基于.XT擴(kuò)散焊技術(shù)TO-247封裝的CoolSiC MOSFET 1200 V，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(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(jī)電源由一個(gè)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20 m? 1200 V CoolSiC MOSFET。表1列出了逆變焊接的基本技術(shù)規(guī)格：

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(shí)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(jì)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。 

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(biāo)輸出功率：20 kW、500 A、40 V

-        持續(xù)率：60%，6分鐘開、4分鐘關(guān)

-        逆變器DC母線電壓：530 V_DC

-        開關(guān)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(dǎo)熱膏導(dǎo)熱率：6.0 W/mK

-        貼裝夾持力：60 N（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(dòng)器、RC緩沖器和PCB布局設(shè)計(jì)，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(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，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(yùn)行5分鐘后即達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)條件，符合基于冷卻設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的預(yù)計(jì)。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。 

 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(jié)果證實(shí)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(shí)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(jī)的逆變器設(shè)計(jì)。

結(jié)語

測試證實(shí)，采用基于.XT擴(kuò)散焊技術(shù)的TO-247封裝的CoolSiC MOSFET 1200 V，結(jié)合知名非常規(guī)冷卻設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)更出色的焊機(jī)電源。這種設(shè)計(jì)大大提高了散熱性能，實(shí)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(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?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(shí)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(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(guī)定了針對焊接設(shè)備的生態(tài)設(shè)計(jì)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。