【導讀】近年來，為了更好地實現自然資源可持續利用，需要更多節能產品，因此，關於焊機能效的強製性規定應運而生。經改進的碳化矽CoolSiC™ MOSFET 1200 V采用基於.XT擴散焊技術的TO-247封裝，其非常規封裝和熱設計方法通過改良設計提高了能效和功率密度。

“引言”

近年來，為了更好地實現自然資源可持續利用
，需要更多節能產品，因此
，關於焊機能效的強製性規定應運而生。經改進的碳化矽CoolSiC™ MOSFET 1200 V采用基於.XT擴散焊技術的TO-247封裝，其非常規封裝和熱設計方法通過改良設計提高了能效和功率密度。

文：英飛淩科技高級應用工程師Jorge Cerezo

逆變焊機通常是通過功率模塊解決方案設計來實現更高輸出功率，從而幫助降低節能焊機的成本、重量和尺寸[1]。

在焊機行業，諸如提高效率、降低成本和增強便攜性（即，縮小尺寸並減輕重量）等趨勢一直是促進持續發展的推動力。譬如，多個標準法規已經或即將強製規定焊機的電源效率達到特定水平。其中一個例子是，2023年1月1日生效的針對焊接設備的歐盟（EU）最新法規[2]。因此
，對於使用功率模塊作為典型解決方案的10kW至40kW中等功率焊機，順應這些趨勢現在已變得非常困難。

英飛淩CoolSiC MOSFET 1200 V采用基於.XT擴散焊技術的TO-247封裝，大大提升了器件的熱性能和可靠性。結合特定的冷卻設計（“為了增加散熱，將器件單管直接貼裝在散熱片上
，而未進行任何電氣隔離”[3]），它提供了更出色的器件單管解決方案（圖1）。它可實現更高輸出功率

，提高效率和功率密度，並降低中功率焊機的成本。

圖1：采用未與散熱片隔離的1200 V CoolSiC MOSFET單管的焊機電源

采用.XT擴散焊技術的CoolSiC MOSFET單管

增強型CoolSiC MOSFET 1200 V充分利用了基於英飛淩.XT擴散焊技術的改良型TO-247封裝。這項技術采用先進的擴散焊工藝。如[4]中所作詳細討論，這種封裝技術的主要優點是大幅減小焊接層的厚度（圖2）
，其中
，特定的金屬合金結合可顯著提高導熱率。這一特性降低了器件的結-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，並實現幾乎無空隙的焊接界麵，從而提高器件的可靠性。此外，它提高了器件在熱-機械應力下的性能
，這意味著器件在主動和被動熱循環測試條件下具有更出色的性能。總的來說，采用基於.XT擴散焊技術的TO-247封裝的CoolSiC MOSFET 1200 V，可使焊機電源設計實現更好的熱性能和可靠性。

圖2：英飛淩.XT擴散焊技術較之於常規軟焊工藝

采用CoolSiC MOSFET器件單管的500 A焊機電源逆變器設計

一家大型製造商的焊機
，其獨特的500 A電源逆變器設計展示基於.XT擴散焊技術TO-247封裝的CoolSiC MOSFET 1200 V，用於中等功率焊機的改良型解決方案。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進行了對比。

焊機電源由一個三相輸入，全橋拓撲逆變器構成
，使用了英飛淩提供的4顆TO-247 4引腳封裝的基於.XT互連技術（IMZA120R020M1H）的20 mΩ 1200 V CoolSiC MOSFET。

表1列出了逆變焊接的基本技術規格：

表1：焊機電源逆變器基本技術規格

請注意，相比於在10kHz至20kHz開關頻率下工作的中等功率焊機所用的典型IGBT模塊解決方案
，SiC MOSFET的超高開關速度能夠顯著提高典型工作開關頻率。這有助於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，選擇了適當的散熱片和空氣流，以提供適當的熱時間常數。所有散熱片均在大約5分鍾後達到熱穩態條件
，冷卻係統設計亦隨之達到熱穩態條件（圖3）。這樣一來
，在最大運行要求的60%焊接占空比內
，SiC MOSFET器件即已達到熱穩態條件。

圖3：散熱器的熱穩態條件和散熱能力

電源逆變器測試條件如下：

• -輸出功率：408 A
  、47.7 V
  、~19.5 kW。目標輸出功率：20 kW、500 A、40 V

• -持續率：60%，6分鍾開
  、4分鍾關

• -逆變器DC母線電壓：530 VDC

• -開關頻率：50 kHz

• -VGS（20 mΩ CoolSiC MOSFET）：18/-3 V

• -VGS（競品20 mΩ 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

• -導熱膏導熱率：6.0 W/mK

• -貼裝夾持力：60 N（13.5磅）

• -環境溫度：室溫

• -強製空氣冷卻

• -RCL負載

正如預期的那樣，由於適當的柵極驅動器、RC緩衝器和PCB布局設計，英飛淩CoolSiC MOSFET與競品SiC MOSFET之間沒有顯著差異，二者都表現出相似的波形性能（圖4）。

圖4：焊機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果則表明
，CoolSiC MOSFET的性能更加出色。溫度曲線圖（圖5）顯示，20 mΩ IMZA120R020M1H CoolSiC MOSFET的性能明顯優於競品器件。平均而言，相比於競品器件
，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在運行5分鍾後即達到熱穩態條件
，符合基於冷卻設計數據的預計。另一方麵
，競品SiC MOSFET一直未達到熱穩態條件，這意味著其功率損耗在係統運行6分鍾後仍在增加。

圖5：20 mΩ 1200 V SiC MOSFET在60%焊接直流電源工作狀態下的散熱和功率損耗——英飛淩CoolSiC MOSFET IMZA120R020M1H較之於主要競爭對手的器件

最後
，哪怕考慮到最高40°C環境溫度，這種SiC MOSFET單管解決方案亦可輕鬆滿足最高80°C散熱片溫度要求。

總而言之，測試結果證實並證明
，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行電氣隔離的冷卻概念，可助力實現通常選用功率模塊解決方案的20 kW及以上中功率焊機的逆變器設計。

結語

測試證實
，采用基於.XT擴散焊技術的TO-247封裝的CoolSiC MOSFET 1200 V，結(jie)合(he)知(zhi)名(ming)非(fei)常(chang)規(gui)冷(leng)卻(que)設(she)計(ji)，實(shi)現(xian)更(geng)出(chu)色(se)的(de)焊(han)機(ji)電(dian)源(yuan)。這(zhe)種(zhong)設(she)計(ji)大(da)大(da)提(ti)高(gao)了(le)散(san)熱(re)性(xing)能(neng)，實(shi)現(xian)比(bi)功(gong)率(lv)模(mo)塊(kuai)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)更(geng)高(gao)輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)水(shui)平(ping)。英(ying)飛(fei)淩(ling).XThulianjishudeyoudian，youzhuyutigaosanrexingneng，congertigaonibianqidekekaoxingheshiyongshouming。wenzhongtichudedanguanjiejuefangannenggoushixiangenggaoxiaolvhegonglvmidu

，bangzhumanzuduigenggaonengxiaohanjidexuqiu，tongshishunyinghanjixingyefazhanqushi，rujiangdichengben、重量和尺寸。

參考資料

[1] 本文是作者（Jorge Cerezo）在紐倫堡PCIM Europe 2022發表的論文《使用基於.XT互連技術的1200 V CoolSiC MOSFET單管提高焊機功率效率》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於2019年10月1日規定了針對焊接設備的生態設計要求。

[3] 《TO-247PLUS IGBT單管助力提高焊接設備功率密度》
，AN2019-10，英飛淩科技股份公司。

[4] M. Holz
、J. Hilsenbeck、R. Otremba
、A. Heinrich
、P. Türkes

、R. Rupp等合著《SiC功率器件：使用擴散焊技術改進產品》，Materials Science Forum
，第615-617卷（2009年）第613-616頁。

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