采用增强互连封装技术的1200 V SiC MOSFET单管设计高能效焊机
“引言”
近年来，为了更好地实现自然资源可持续利用，需要更多节能产品，因此，关于焊机能效的强制性规定应运而生。经改进的碳化硅CoolSiC™ MOSFET 1200 V采用基于.XT扩散焊技术的TO-247封装，其非常规封装和热设计方法通过改良设计提高了能效和功率密度。
逆变焊机通常是通过功率模块解决方案设计来实现更高输出功率，从而帮助降低节能焊机的成本、重量和尺寸[1]。
在焊机行业，诸如提高效率、降低成本和增强便携性（即，缩小尺寸并减轻重量）等趋势一直是促进持续发展的推动力。譬如，多个标准法规已经或即将强制规定焊机的电源效率达到特定水平。其中一个例子是，2023年1月1日生效的针对焊接设备的欧盟（EU）最新法规[2]。因此，对于使用功率模块作为典型解决方案的10kW至40kW中等功率焊机，顺应这些趋势现在已变得非常困难。
英飞凌CoolSiC MOSFET 1200 V采用基于.XT扩散焊技术的TO-247封装，大大提升了器件的热性能和可靠性。结合特定的冷却设计（“为了增加散热，将器件单管直接贴装在散热片上，而未进行任何电气隔离”[3]），它提了更出色的器件单管解决方案（图1）。它可实现更高输出功率，提高效率和功率密度，并降低中功率焊机的成本。
图1：采用未与散热片隔离的1200 V CoolSiC MOSFET单管的焊机电源
采用.XT扩散焊技术的CoolSiC MOSFET单管
增强型CoolSiC MOSFET 1200 V充分利用了基于英飞凌.XT扩散焊技术的改良型TO-247封装。这项技术采用先进的扩散焊工艺。如[4]中所作详细讨论，这种封装技术的主要优点是大幅减小焊接层的厚度（图2），其中，特定的金属合金结合可显著提高导热率。这一特性降低了器件的结-壳热阻（Rthj-case）和热阻抗（Zthj-case）。
这种焊接工艺可避免芯片偏斜和焊料溢出，并实现几乎无空隙的焊接界面，从而提高器件的可靠性。此外，它提高了器件在热-机械应力下的性能，这意味着器件在主动和被动热循环测试条件下具有更出色的性能。总的来说，采用基于.XT扩散焊技术的TO-247封装的CoolSiC MOSFET 1200 V，可使焊机电源设计实现更好的热性能和可靠性。
图2：英飞凌.XT扩散焊技术较之于常规软焊工艺
采用CoolSiC MOSFET器件单管的500 A焊机电源逆变器设计
一家大型制造商的焊机，其独特的500 A电源逆变器设计展示基于.XT扩散焊技术TO-247封装的CoolSiC MOSFET 1200 V，用于中等功率焊机的改良型解决方案。它使用了前文探讨的冷却概念，如图1所示，器件贴装在散热片上而不进行电气隔离。此外，为了证实其具备更好的性能，在相同的测试条件下，将其与主要竞争对手的SiC MOSFET进行了对比。
焊机电源由一个三相输入，全桥拓扑逆变器构成，使用了英飞凌提供的4颗TO-247 4引脚封装的基于.XT互连技术（IMZA120R020M1H）的20 mΩ 1200 V CoolSiC MOSFET。表1列出了逆变焊接的基本技术规格：
表1：焊机电源逆变器基本技术规格
请注意，相比于在10kHz至20kHz开关频率下工作的中等功率焊机所用的典型IGBT模块解决方案，SiC MOSFET的超高开关速度能够显著提高典型工作开关频率。这有助于缩小磁性元件和无源器件的尺寸，从而缩小逆变器尺寸。
此外，为了满足表1所列要求，选择了适当的散热片和空气流，以提供适当的热时间常数。所有散热片均在大约5分钟后达到热稳态条件，冷却系统设计亦随之达到热稳态条件（图3）。这样一来，在最大运行要求的60%焊接占空比内，SiC MOSFET器件即已达到热稳态条件。
图3：散热器的热稳态条件和散热能力
电源逆变器测试条件如下：
- 输出功率：408 A、47.7 V、~19.5 kW。目标输出功率：20 kW、500 A、40 V
- 持续率：60%，6分钟开、4分钟关
- 逆变器DC母线电压：530 VDC
- 开关频率：50 kHz
- VGS（20 mΩ CoolSiC MOSFET）：18/-3 V
- VGS（竞品20 mΩ SiC MOSFET）：20/-4 V
- 低边散热片Rth：~0.36 K/W
- 高边散热片Rth：~0.22 K/W
- 导热膏导热率：6.0 W/mK
- 贴装夹持力：60 N（13.5磅）
- 环境温度：室温
- 强制空气冷却
- RCL负载
正如预期的那样，由于适当的栅极驱动器、RC缓冲器和PCB布局设计，英飞凌CoolSiC MOSFET与竞品SiC MOSFET之间没有显著差异，二者都表现出相似的波形性能（图4）。
图4：焊机电源逆变器工作期间的典型SiC MO