本文介紹了新的CoolSiC 2000V SiC溝槽柵MOSFET系列。該系列單管產(chǎn)品采用新的TO-247PLUS-4-HCC封裝，具有加大的爬電距離和電氣間隙，使用.XT焊接芯片技術(shù)。芯片同時(shí)用于62mm封裝的半橋模塊和EasyPACK 3B封裝的升壓模塊。這些產(chǎn)品的性能提高了系統(tǒng)功率密度，可靠性和效率，并簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。

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介紹

最新的光伏太陽(yáng)能、儲(chǔ)能和高功率充電器（1500 VDC）應(yīng)用要求更高的電壓裕量，以確保系統(tǒng)安全運(yùn)行。CoolSiC 2000V SiC MOSFET被設(shè)計(jì)為在高電壓和高開(kāi)關(guān)頻率下提供更高的功率密度，而不會(huì)損害系統(tǒng)的可靠性。新的TO-247PLUS-4-HCC封裝具有加大的爬電距離和電氣間隙，使用.XT焊接芯片技術(shù)。該封裝的評(píng)估板有助于快速評(píng)估2000V單管產(chǎn)品的性能。62mm CoolSiC 2000V SiC MOSFET半橋模塊革命性地改變了1500 VDC光伏太陽(yáng)能和儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)兩電平或者NPC2三電平拓?fù)洹?/p>

在這篇論文中，比較了EasyPACK 3B CoolSiC MOSFET模塊（2000V，60A）和傳統(tǒng)的三電平拓?fù)銼i解決方案的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、芯片尺寸、波形和效率。所有這些產(chǎn)品旨在提供更高的系統(tǒng)功率密度、更高的系統(tǒng)效率和更容易的設(shè)計(jì)。

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CoolSiC 2000V SiC溝槽柵MOSFET，

封裝在TO-247PLUS-4-HCC中

CoolSiC 2000V SiC MOSFET的TO-247PLUS-4-HCC封裝被設(shè)計(jì)為在不損害系統(tǒng)可靠性的情況下提供更高的功率密度，即使在高壓和高頻率的苛刻條件下。如圖1所示，新封裝具有5.5mm的電氣間隙和14mm的爬電距離。這可以防止高電壓下的高頻放電（見(jiàn)圖2）。TO-247PLUS-4-HCC封裝的高度和寬度與其他TO-247封裝相同。它與標(biāo)準(zhǔn)TO-247-4針腳和Kelvin發(fā)射極4針腳封裝兼容，由于低雜散電感的門(mén)極-發(fā)射極環(huán)路，可以實(shí)現(xiàn)超低開(kāi)關(guān)損耗。

圖1. 加大爬電距離和電氣間隙的TO-247PLUS-4-HCC封裝

圖2. 在1.6kV電壓尖峰、80kHz開(kāi)關(guān)頻率下，TO-247-3封裝的高頻放電現(xiàn)象

TO-247PLUS-4-HCC封裝中的.XT焊接技術(shù)：

顯著改善了熱性能

降低了芯片結(jié)到殼體的熱阻抗

防止晶片傾斜和焊料溢出，從而實(shí)現(xiàn)更好的生產(chǎn)控制

由于工作溫度降低，提高了主動(dòng)和被動(dòng)熱循環(huán)能力，以便在熱應(yīng)力下實(shí)現(xiàn)更好的性能

與標(biāo)準(zhǔn)焊接相比，.XT焊接技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)最高25%的結(jié)到殼體的熱阻（Rthjc）降低，如圖3所示。CoolSiC 2000V SiC溝槽柵MOSFET系列產(chǎn)品的RDS(on)范圍從12到100mΩ，同時(shí)配套的二極管產(chǎn)品系列的電流范圍為10到80A。

圖3. 擴(kuò)散焊（.XT）技術(shù)降低Rthjc

EVAL-CoolSiC-2kVHCC評(píng)估板旨在展示CoolSiC 2000V 24mΩ在TO-247PLUS-4-HCC封裝中的獨(dú)特特性。它可以用作一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的通用測(cè)試平臺(tái)，用于評(píng)估任何CoolSiC 2000V SiC MOSFET單管器件和EiceDRIVER Compact單通道隔離驅(qū)動(dòng)器系列（1ED31xx）通過(guò)雙脈沖或連續(xù)脈寬調(diào)制（PWM）操作。該板的靈活設(shè)計(jì)允許在不同的測(cè)試條件下進(jìn)行各種測(cè)試，重點(diǎn)關(guān)注半橋拓?fù)鋺?yīng)用，如太陽(yáng)能和儲(chǔ)能系統(tǒng)的解決方案。[1]

圖4.EVAL-CoolSiC-2kVHCC評(píng)估板

圖5展示了一個(gè)幾乎完美的測(cè)試門(mén)極波形，沒(méi)有超調(diào)或欠調(diào)。圖中看到的振蕩是由PCB布板中的寄生電容引起的，而不是由器件本身引起的。測(cè)試條件如下：

直流母線(xiàn)電壓（DC link voltage）=1200V

門(mén)極電壓（gate voltage）=18V/-2.5V

溫度為常溫

圖5. 使用EVAL-CoolSiC-2kVHCC評(píng)估板的測(cè)試波形：1200V/50A條件下

表1. 2000V CoolSiC MOSFET和Diode

產(chǎn)品列表

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62mm CoolSiC MOSFET 2000V半橋模塊

62mm CoolSiC MOSFET 2000V半橋模塊采用了著名的62mm封裝和M1H芯片技術(shù)。除了半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)外，同樣的62mm封裝產(chǎn)品還推出共源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這將不僅僅是實(shí)現(xiàn)兩電平，還能實(shí)現(xiàn)三電平NPC2拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。目前，NPC1和ANPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在1500 VDC太陽(yáng)能和儲(chǔ)能系統(tǒng)中被廣泛使用。隨著新2000V產(chǎn)品的推出，兩電平和三電平NPC2拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)。[2] [3]

圖6. 使用2000V產(chǎn)品，從NPC1/ANPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)到兩電平/NPC2拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

表2. 2000V CoolSiC MOSFET 62mm模塊

產(chǎn)品列表

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EasyPACK 3B CoolSiC MOSFET 2000V，

60A升壓模塊

傳統(tǒng)的大功率組串太陽(yáng)能逆變器的升壓解決方案通常使用飛跨電容或雙升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。然而，2000V的SiC MOSFET在Easy 3B封裝中使得可以實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單的兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖7所示。這降低了功率器件數(shù)量，同時(shí)提高了功率密度和降低了整個(gè)系統(tǒng)成本，特別適用于1500 VDC應(yīng)用。DF4-19MR20W3M1HF_B11模塊采用Easy 3B封裝，具有4路升壓通道，使用2000V的SiC MOSFET和二極管，采用對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)和低雜感結(jié)構(gòu)，如圖8所示。它提供了最低的RDS(on)和FIT率，更高的開(kāi)關(guān)頻率和更高的功率密度。該模塊還可以用于2路升壓通道，并聯(lián)后的電流可以達(dá)到120A每路。

圖7. 飛跨電容，雙升壓拓?fù)浜筒捎?000V SiC產(chǎn)品的兩電平拓?fù)?/p>

圖8. 兩電平拓?fù)涞纳龎耗K線(xiàn)路圖

圖9顯示了雙升壓模塊和兩電平全SiC模塊的芯片尺寸比較。結(jié)果表明，兩電平全SiC模塊解決方案的芯片尺寸小了70%。兩電平全SiC模塊的功率密度也更高。圖10和圖11顯示了1200V IGBT/二極管和2000V SiC MOSFET/SiC二極管的不同關(guān)斷波形。唯一的區(qū)別是關(guān)斷電壓平臺(tái)，2000V器件的電壓平臺(tái)更高。這可以簡(jiǎn)化整個(gè)系統(tǒng)并提高其功率密度。圖12顯示了在不同負(fù)載條件下的升壓效率曲線(xiàn)。在輕載條件下，兩電平全SiC解決方案的效率提高了1%，在所有工作條件下平均提高了約0.5%。

圖9. 雙升壓模塊和兩電平全SiC模塊的芯片大小比較

圖10. IGBT/2000V SiC MOSFET關(guān)斷比較

圖11. 1200V SiC二極管/2000V SiC二極管關(guān)斷比較

圖12. 雙升壓模塊和兩電平全SiC模塊的效率對(duì)比

表3. 2000V CoolSiC MOSFET Easy模塊

產(chǎn)品列表

結(jié)論

本文介紹了新的CoolSiC 2000V SiC溝槽柵MOSFET器件，具有加大的爬電距離和電氣間隙，使用.XT焊接技術(shù)的TO-247PLUS-4-HCC封裝；62mm封裝的半橋和共源拓?fù)?；以及EasyPACK 3B封裝的4路升壓拓?fù)?。所有這些器件都具有2000V SiC芯片，在1500 VDC系統(tǒng)中提供更高的功率密度，更高的效率和更簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)。評(píng)估板是一個(gè)測(cè)試平臺(tái)，設(shè)計(jì)師可以嘗試并了解這個(gè)革命性的2000V器件。