本文介紹了全新的CoolSiC™ 2000V SiC溝槽柵MOSFET系列。該系列單管產品採用了全新的TO-247PLUS-4-HCC封裝，具有更大的爬電距離和電氣間隙，並使用XT焊接晶片技術。晶片同時應用於62mm封裝的半橋模組以及EasyPACK™ 3B封裝的升壓模組。這些產品的性能提升了系統的功率密度、可靠性和效率，並簡化了設計。
1. 介紹
最新的光伏太陽能、儲能和高功率充電器（1500 VDC）應用要求更高的電壓裕量，以確保系統安全運行。CoolSiC™ 2000V SiC MOSFET被設計為在高電壓和高開關頻率下提供更高的功率密度，同時不會損害系統的可靠性。新的TO-247PLUS-4-HCC封裝具有加大的爬電距離和電氣間隙，並採用.XT焊接晶片技術。該封裝的評估板有助於快速評估2000V單管產品的性能。62mm CoolSiC™ 2000V SiC MOSFET半橋模組革命性地改變了1500 VDC光伏太陽能和儲能系統的設計，可以實現兩電平或者NPC2三電平拓撲。
在這篇論文中，對EasyPACK™ 3B CoolSiC™ MOSFET模組（2000V，60A）與傳統的三電平拓撲Si解決方案進行了拓撲結構、晶片尺寸、波形和效率的比較。所有這些產品旨在提供更高的系統功率密度、更高的系統效率以及更簡易的設計。
2. CoolSiC™ 2000V SiC溝槽柵MOSFET，封裝在TO-247PLUS-4-HCC中
CoolSiC™ 2000V SiC MOSFET 的 TO-247PLUS-4-HCC 封裝被設計為在不影響系統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嚴苛條件下也是如此。如圖 1 所示，新封裝具有 5.5mm 的電氣間隙和 14mm 的爬電距離。這可以防止高壓下的高頻放電（見圖 2）。TO-247PLUS-4-HCC 封裝的高度和寬度與其他 TO-247 封裝相同。它與標準 TO-247-4 針腳和 Kelvin 發射極 4 針腳封裝相容，由於低雜散電感的閘極-發射極迴路，可以實現超低開關損耗。
TO-247PLUS-4-HCC封裝中的.XT焊接技術：
顯著改善了熱性能
降低了晶片結到外殼的熱阻抗
防止晶片傾斜和焊料溢出，從而實現更好的生產控制
由於工作溫度降低，提升了主動和被動熱循環能力，以便在熱應力下實現更佳的性能。
與標準焊接相比，.XT焊接技術可以實現最高25%的結到外殼的熱阻（Rthjc）降低，如圖3所示。CoolSiC™ 2000V SiC溝槽柵MOSFET系列產品的R導通電阻範圍從12到100mΩ，同時配套的二極體產品系列的電流範圍為10到80A。
EVAL-CoolSiC™-2kVHCC 評估板旨在展示 CoolSiC™ 2000V 24mΩ 在 TO-247PLUS-4-HCC 封裝中的獨特特性。它可以作為一個標準的通用測試平台，用於評估任何 CoolSiC™ 2000V SiC MOSFET 單管元件以及 EiceDRIVER™ Compact 單通道隔離驅動器系列（1ED31xx），透過雙脈衝或連續脈寬調變（PWM）操作。該板的靈活設計允許在不同的測試條件下進行各種測試，重點關注半橋拓撲應用，例如太陽能和儲能系統的解決方案。[1]
圖5展示了一個幾乎完美的測試閘極波形，沒有過衝或欠衝。圖中看到的振盪是由PCB佈板中的寄生電容引起的，而不是由元件本身引起的。測試條件如下：
直流母線電壓（DC link voltage）=1200V
閘極電壓（gate voltage）=18V/-2.5V
溫度為室溫
3. 62mm CoolSiC™ MOSFET 2000V半橋模組
62mm CoolSiC™ MOSFET 2000V半橋模組採用了著名的62mm封裝和M1H晶片技術。除了半橋拓撲結構外，同樣的62mm封裝產品還推出了共源拓撲結構。這不僅能實現兩電平，還能實現三電平NPC2拓撲結構。目前，NPC1和ANPC拓撲結構在1500 VDC太陽能和儲能系統中被廣泛使用。隨著新2000V產品的推出，兩電平和三電平NPC2拓撲結構可以實現。[2] [3]
圖6. 使用2000V產品，從NPC1/ANPC拓撲結構到兩電平/NPC2拓撲結構
4 EasyPACK™ 3B CoolSiC™ MOSFET 2000V，60A升壓模組
傳統的大功率組串太陽能逆變器的升壓解決方案通常採用飛跨電容或雙升壓拓撲結構。然而，2000V的SiC MOSFET在Easy 3B封裝中使得可以實現更簡單的兩電平拓撲結構，如圖7所示。這減少了功率元件的數量，同時提高了功率密度並降低了整個系統的成本，特別適用於1500 V。直流電應用。DF4-19MR20W3M1HF_B11模組採用Easy 3B封裝，具有4路升壓通道，使用2000V的SiC MOSFET和二極體，採用對稱設計和低雜感結構，如圖8所示。它提供了最低的R。導通電阻 (DS(on))與FIT率、更高的開關頻率以及更高的功率密度。該模組還可以用於2路升壓通道，並聯後的電流每路可達120A。
圖9顯示了雙升壓模組與兩電平全SiC模組的晶片尺寸比較。結果表明，兩電平全SiC模組解決方案的晶片尺寸減少了70%。兩電平全SiC模組的功率密度也更高。圖10和圖11展示了1200V IGBT/二極體與2000V SiC MOSFET/SiC二極體的不同關斷波形。唯一的差異是關斷電壓平台，2000V元件的電壓平台更高。這可以簡化整個系統並提升其功率密度。圖12顯示了在不同負載條件下的升壓效率曲線。在輕載條件下，兩電平全SiC解決方案的效率提升了1%，在所有工作條件下平均提升了約0.5%。
結論
本文介紹了全新的CoolSiC™ 2000V SiC溝槽柵MOSFET元件，具備加大的爬電距離和電氣間隙，採用.XT焊接技術的TO-247PLUS-4-HCC封裝；62mm封裝的半橋和共源拓撲；以及EasyPACK™ 3B封裝的4路升壓拓撲。所有這些元件均搭載2000V SiC晶片，適用於1500 V。DC系統中提供更高的功率密度、更高的效率以及更簡單的設計。評估板是一個測試平台，設計師可以嘗試並了解這款革命性的2000V元件。
參考文獻
[1] EVAL-COOLSIC-2kVHCC 評估板，適用於 CoolSiC™ MOSFETs 2000 V，採用 TO-247PLUS-4-HCC 封裝，www.infineon.com
[2] 吳一丁、白妙光、郭青、徐俊良，〈SiC MOSFET可靠性與應用特性之比較研究〉，《2023 IEEE第二屆國際電力電子與應用研討會（PEAS）》
[3] Wei Xu, Rui yang Yu, Zhicheng Guo, 和 Alex Q. Huang，〈基於1700V SiC功率MOSFET模組的1500V/200kW 99.6%效率雙有源橋轉換器設計〉，2020年IEEE能源轉換大會與博覽會（ECCE）
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參考來源