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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)

發(fā)布時(shí)間:2023-05-23 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】近年來(lái),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(guò)改良設(shè)計(jì)提高了能效和功率密度。


“引言”


近年來(lái),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(guò)改良設(shè)計(jì)提高了能效和功率密度。


文:英飛凌科技高級(jí)應(yīng)用工程師Jorge Cerezo


逆變焊機(jī)通常是通過(guò)功率模塊解決方案設(shè)計(jì)來(lái)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(shì)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(duì)焊接設(shè)備的歐盟(EU)最新法規(guī)[2]。因此,對(duì)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(shì)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]),它提供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。


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)

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(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(xiàn)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(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(cè)試條件下具有更出色的性能??偟膩?lái)說(shuō),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。


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)

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(cè)試條件下,將其與主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的SiC MOSFET進(jìn)行了對(duì)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:


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)

表1:焊機(jī)電源逆變器基本技術(shù)規(guī)格


請(qǐng)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(jī)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(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(lái),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。


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)

圖3:散熱器的熱穩(wěn)態(tài)條件和散熱能力


電源逆變器測(cè)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(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(jìng)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(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(jìng)品SiC MOSFET之間沒(méi)有顯著差異,二者都表現(xiàn)出相似的波形性能(圖4)。


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)

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(cè)試結(jié)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(jìng)品器件。平均而言,相比于競(jìng)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(jìng)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。


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)

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(jìng)爭(zhēng)對(duì)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(cè)試結(jié)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(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(yǔ)


測(cè)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(mǎn)足對(duì)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(shì),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(duì)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(yè)。


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