在用于管理半導(dǎo)體損耗的主動冷卻是性能和可靠性的重要因素的解決方案中，將損耗減少多達(dá) 80% 可以改變游戲規(guī)則。上個月，英飛凌科技推出了采用 .XT 互連技術(shù)、采用 1，200V 優(yōu)化 D2PAK-7 SMD 封裝的新型基于碳化硅 （SiC） 的CoolSiC ? MOSFET。這種組合可在伺服驅(qū)動器等功率密度關(guān)鍵的電機(jī)驅(qū)動器領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)被動冷卻，從而支持機(jī)器人和自動化行業(yè)實(shí)施免維護(hù)和無風(fēng)扇電機(jī)逆變器。

在自動化領(lǐng)域，無風(fēng)扇解決方案帶來了新的設(shè)計機(jī)會，因?yàn)樗鼈児?jié)省了維護(hù)和材料的成本和精力。英飛凌采用 .XT 互連技術(shù)的 CoolSiC 溝槽 MOSFET 芯片解決方案以小尺寸提供極具吸引力的散熱能力。由此產(chǎn)生的小系統(tǒng)尺寸使其成為機(jī)械臂中驅(qū)動集成的理想選擇。

伺服驅(qū)動

由于電機(jī)在各種應(yīng)用環(huán)境中的大量使用以及節(jié)省大量能源的可能性，電機(jī)控制，尤其是變頻驅(qū)動，是近年來發(fā)展非常迅速的技術(shù)。自推出以來，用于電機(jī)控制的機(jī)架底座電源模塊在對成本、尺寸和性能特別敏感的應(yīng)用領(lǐng)域的不同方面發(fā)生了重大變革。工業(yè)自動化領(lǐng)域無疑是最具代表性的。

伺服驅(qū)動器是許多自動化生產(chǎn)設(shè)備（如機(jī)器人、傳送帶等）中的電機(jī)驅(qū)動元件。 SiC MOSFET 的歐姆傳導(dǎo)損耗和完全可控的開關(guān)瞬變與其負(fù)載曲線完美匹配。

由于節(jié)能、尺寸減小、集成機(jī)會和可靠性等特性，在電機(jī)控制和電力控制應(yīng)用中使用SiC 器件通常是一個真正的突破。在其他選項(xiàng)中，現(xiàn)在可以在逆變器電路中使用所連接電機(jī)的最佳開關(guān)頻率，這在電機(jī)設(shè)計中具有重要優(yōu)勢。

英飛凌解決方案

新型 CoolSiC MOSFET SMD 器件的短路耐受時間為 3 μs，額定值為 30 mΩ 至 350 mΩ。這符合伺服電機(jī)的要求。

“該產(chǎn)品采用的芯片技術(shù)是我們眾所周知的第一代基于溝槽的碳化硅 MOSFET。因此，我們可以提供非常低的開關(guān)損耗和獨(dú)特的三微秒短路耐受時間。由于足夠高的閾值電壓和有利的器件電容比，在這些產(chǎn)品中啟用了零伏關(guān)斷選項(xiàng)，這顯著簡化了驅(qū)動電路。正如對碳化硅 MOSFET 的預(yù)期，我們在該組件中集成了一個堅固的體二極管，可用于硬換向，”英飛凌科技公司 SiC 高級總監(jiān) Peter Friedrichs 博士說。

SMD 封裝允許通過全自動生產(chǎn)線進(jìn)行非常簡單的組裝。由于與 IGBT 解決方案相比損耗低，英飛凌強(qiáng)調(diào)，這種晶體管技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)功率半導(dǎo)體的無風(fēng)扇冷卻。它符合電機(jī)驅(qū)動逆變器設(shè)計者多年的夢想，因?yàn)樗匀淮蟠鬁p少了現(xiàn)場維護(hù)。

為什么伺服驅(qū)動器與 SiC MOSFET 功能相結(jié)合如此有趣？在這些驅(qū)動器中，我們可以看到需要高功率或扭矩的強(qiáng)加速和制動周期，因此需要高電流，而在標(biāo)稱 90% 運(yùn)行期間需要低電流（圖 1）。

圖 1：所有工作模式下的傳導(dǎo)損耗降低（來源：英飛凌）

這種特定的驅(qū)動循環(huán)與類似于碳化硅 MOSFET 中的線性輸出特性相結(jié)合，與低扭矩操作模式下的 IGBT 相比，損耗要低得多。

“至少在較低溫度和部分負(fù)載模式下，我們可以勝過 IGBT 的傳導(dǎo)損耗。在我們有反向輸出操作的制動期間，由于內(nèi)部體二極管的相同情況，我們也再次能夠顯著降低傳導(dǎo)損耗。因此，在所有操作模式下，您都可以降低靜態(tài)損耗。這同樣適用于開關(guān)損耗。那些當(dāng)然受到切換速度的嚴(yán)重影響。但是，即使在 5 到 10 伏特/納秒的低 dV/dt 范圍內(nèi)（這在幾種驅(qū)動器中是典型的），與當(dāng)今的 IGBT 相比，總開關(guān)損耗也可以降低 60%，這主要是由于 Qrr 可以忽略不計、尾電流的消除和與溫度無關(guān)的開關(guān)行為，”弗里德里希斯說。

圖 2：CoolSiC Mosfet 與 IGBT 的比較

在不同的驅(qū)動器中使用這種類型的組件可提供更高的功率密度。與具有類似額定值的 IGBT 相比，根據(jù)為 CoolSiC 選擇的功率類型，可以在相同的外形尺寸下實(shí)現(xiàn)更高的電流，同時仍保持恒定的結(jié)溫，這在碳化硅的情況下要低得多MOSFET（大約 40-60 K）比 IGBT （105 K）。對于給定的器件尺寸，SiC MOSFET 允許在沒有風(fēng)扇的情況下驅(qū)動更高的電流。

“這要?dú)w功于 CoolSiC 溝槽 MOSFET 芯片和 .XT 互連技術(shù)。它結(jié)合了出色的散熱能力和小封裝外形。1200 V 優(yōu)化的 SMD 版本提供 》 6mm 的爬電距離和間隙距離，帶有用于高級開關(guān)的額外源引腳，”Friedrichs 說。

模壓封裝中分立器件的經(jīng)典互連技術(shù)基于放置芯片的銅引線框架，并添加焊接材料將芯片連接到引線框架。從熱量上講，焊料層限制了從芯片到下方引線框架的有效散熱，主要是在 SiC 的情況下，其具有與用于引線框架的銅相似的導(dǎo)熱性。新的互連使用特殊的背面金屬化，可以直接與銅引線框架反應(yīng)。因此，芯片和引線框之間沒有添加任何材料，導(dǎo)致Rth顯著降低。

“我們相信，借助這項(xiàng)新技術(shù)，我們可以為多個驅(qū)動器細(xì)分市場提供當(dāng)今經(jīng)典三相橋解決方案的替代方案，這些解決方案如今已通過分立器件實(shí)現(xiàn)，甚至在基于框架的電源模塊中實(shí)現(xiàn)。然而，它們都需要散熱器。現(xiàn)在，有了這種新工藝、優(yōu)化的熱行為和強(qiáng)大的內(nèi)部芯片技術(shù)，我們相信基于 SMD 組件的非常智能和緊湊的設(shè)計是可能的，而無需傳統(tǒng)和笨重的散熱器。我們的參考設(shè)計展示了如何在實(shí)際應(yīng)用中使用該技術(shù)，”Friedrichs 說。

碳化硅允許在更高密度的功率水平下運(yùn)行。在許多基于電力電子的應(yīng)用中，例如工業(yè)電機(jī)控制單元，空間、重量和效率等要求發(fā)揮著越來越重要的作用。隨著 SiC 生態(tài)系統(tǒng)的進(jìn)步，許多解決方案將受益于整體損耗的降低、成本和驅(qū)動器尺寸的降低。

審核編輯：郭婷