CoolSiC? 2000V SiC 溝槽柵MOSFET定義新能源應用中功率密度增強的新基準
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本文介紹了新的CoolSiC? 2000V SiC溝槽柵MOSFET系列。該系列單管產品采用新的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。芯片同時用于62mm封裝的半橋模塊和EasyPACK? 3B封裝的升壓模塊。這些產品的性能提高了系統功率密度，可靠性和效率，并簡化了設計。
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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，而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，使用.XT焊接芯片技術。該封裝的評估板有助于快速評估2000V單管產品的性能。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，比較了EasyPACK? 3B CoolSiC? MOSFET模塊（2000V，60A）和傳統的三電平拓撲Si解決方案的拓撲結構、芯片尺寸、波形和效率。所有這些產品旨在提供更高的系統功率密度、更高的系統效率和更容易的設計。
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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封裝被設計為在不損害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針腳封裝兼容，由于低雜散電感的門極-發射極環路，可以實現超低開關損耗。
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開關頻率下，TO-247-3封裝的高頻放電現象
TO-247PLUS-4-HCC封裝中的.XT焊接技術：
顯著改善了熱性能
降低了芯片結到殼體的熱阻抗
防止晶片傾斜和焊料溢出，從而實現更好的生產控制
由于工作溫度降低，提高了主動和被動熱循環能力，以便在熱應力下實現更好的性能
與標準焊接相比，.XT焊接技術可以實現最高25%的結到殼體的熱阻（Rthjc）降低，如圖3所示。CoolSiC? 2000V SiC溝槽柵MOSFET系列產品的RDS(on)范圍從12到100mΩ，同時配套的二極管產品系列的電流范圍為10到80A。
圖3. 擴散焊（.XT）技術降低Rthjc
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。它可以用作一個標準的通用測試平臺，用于評估任何CoolSiC? 2000V SiC MOSFET單管器件和EiceDRIVER? Compact單通道隔離驅動器系列（1ED31xx）通過雙脈沖或連續脈寬調制（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，如太陽能和儲能系統的解決方案。[1]
圖4.EVAL-CoolSiC?-2kVHCC評估板
圖5展示了一個幾乎完美的測試門極波形，沒有超調或欠調。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。測試條件如下：
直流母線電壓（DC link voltage）=1200V
門極電壓（gate voltage）=18V/-2.5V
溫度為常溫
圖5. 使用EVAL-CoolSiC?-2kVHCC評估板的測試波形：1200V/50A條件下
表1. 2000V CoolSiC? MOSFET和Diode
產品列表
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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。除了半橋拓撲結構外，同樣的62mm封裝產品還推出共源拓撲結構。這將不僅僅是實現兩電平，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
表2. 2000V CoolSiC? MOSFET 62mm模塊
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EasyPACK? 3B CoolSiC? MOSFET 2000V，
60A升壓模塊
傳統的大功率組串太陽能逆變器的升壓解決方案通常使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。這降低了功率器件數量，同時提高了功率密度和降低了整個系統成本，特別適用于1500 VDC應用。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，采用對稱設計和低雜感結構，如圖8所示。它提供了最低的RDS(on)和FIT率，更高的開關頻率和更高的功率密度。該模塊還可以用于2路升壓通道，并聯后的電流可以達到120A每路。
圖7. 飛跨電容，雙升壓拓撲和采用2000V SiC產品的兩電平拓撲
圖8. 兩電平拓撲的升壓模塊線路圖
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二極管的不同關斷波形。唯一的區別是關斷電壓平臺，2000V器件的電壓平臺更高。這可以簡化整個系統并提高其功率密度。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關斷比較
圖11. 1200V SiC二極管/2000V SiC二極管關斷比較
圖12. 雙升壓模塊和兩電平全SiC模塊的效率對比
表3. 2000V CoolSiC? MOSFET Easy模塊
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結論
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。所有這些器件都具有2000V SiC芯片，在1500 VDC系統中提供更高的功率密度，更高的效率和更簡單的設計。評估板是一個測試平臺，設計師可以嘗試并了解這個革命性的2000V器件。
參考文獻
[1] EVAL-COOLSIC-2kVHCC Evaluation Board for CoolSiC? MOSFETs 2000 V in TO-247PLUS-4-HCC package, www.infineon.com
[2] Yiding Wu, Miaoguang Bai, Qing Guo, and Junliang Xu, “Comparative Study on Reliability and Application Features of SiC MOSFET”, 2023 IEEE 2nd International Power Electronics and Application Symposium (PEAS)
[3] Wei Xu, Rui yang Yu, Zhicheng Guo, and Alex Q. Huang, “Design of 1500V/200kW 99.6% Efficien-cy Dual Active Bridge Converters Based on 1700V SiC Power MOSFET Module”, 2020 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE)
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