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高壓分立Si MOSFET (≥ 2 kV)及其應用介紹

冬至子 ? 來源:Bodos功率系統 ? 作者:Littelfuse ? 2023-12-01 11:04 ? 次閱讀

分立HV Si MOSFET產品系列市場對比

圖1顯示Littelfuse在HV分立Si MOSFET市場具有領導地位,特別是在1700V以上產品。作為業界最高電壓阻斷能力(高達4700V)器件的制造商,Littelfuse是1700V以上HV分立Si MOSFET器件的唯一供應商,是市場領導者,目前沒有其他制造商提供這種HV水平的分立Si MOSFET器件。Littelfuse擁有廣泛的產品系列、具有競爭力的產品性能和先進的技術,能夠支持客戶成功地開發需求嚴苛的應用。

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Littelfuse分立HV Si MOSFET產品系列

圖2描述Littelfuse公司從2000V至4700V獨特且廣泛的分立HV硅MOSFET產品系列。關鍵是這些n溝道分立HV MOSFET可以同時采用標準封裝和獨特封裝供貨,額定電流范圍從200 mA到6 A,功率耗散能力范圍從78W到960 W。這些HV MOSFET能夠承受高雪崩能量,專門設計用于需要極高阻斷電壓的快速開關電源應用。HV MOSFET器件是激光和X射線發生系統、HV電源脈沖電源等應用的最佳解決方案,尤其適合中壓電機驅動、光伏(PV)逆變器高壓柔性直流輸電(HVDC)、機車牽引和不間斷電源(UPS)中的輔助電源。

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此外,由于HV分立Si MOSFET的導通電阻具有正溫度系數,因此適用于并聯。與采用串聯的低電壓MOSFET方法相比,這些HV分立器件提供了高可靠以及更佳的成本解決方案。圖3列舉了對比使用串聯低壓(LV) MOSFET方案,使用Littelfuse高壓分立Si MOSFET在實施HV設計方面的主要優勢。

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圖3:與低壓MOSFET相比,利用Littelfuse的HV Si MOSFET構建HV設計的主要優勢

封裝——獨特的HV封裝和專有絕緣封裝

Littelfuse提供具有多種優勢的獨特HV封裝和專有絕緣封裝,可為客戶帶來附加值。在高電壓和高功率應用中,功率器件的散熱至關重要。器件封裝會極大地影響功率器件的熱性能。IXYS-Littelfuse開發的獨特HV封裝和專有ISOPLUS?封裝能解決HV應用中的絕緣和熱管理等關鍵問題。如圖4所示,Littelfuse HV封裝與標準封裝之間的差異。

Littelfuse HV封裝具有更長的爬電距離,這是重要的優勢。Littelfuse的≥2 kV高壓分立Si MOSFET采用的獨特HV封裝,例如:

  • 用于表面貼裝器件(SMD)的TO-263HV和TO-268HV封裝,以及
  • 用于通孔技術(THT)PCB的TO-247HV和PLUS247HV封裝

在TO-263HV和TO-268HV封裝中去除了中間的漏極引腳,在TO-247HV封裝中增大了漏極和源極引腳之間的距離,從而增加了爬電距離。這有助于客戶在HV應用中減少可能出現的電弧狀況。例如,與標準封裝相比,TO-263HV和TO-268HV引線到引線爬電距離大約增加了一倍,分別達到4.2 mm和9.5 mm。HV應用中的另一個關鍵問題是電氣絕緣, Littelfuse專有絕緣分立ISOPLUS?封裝是實現HV設計的絕佳選擇。如圖5所示,設計采用DCB結構,而不是通常的銅引線框架,Si晶圓焊接在上面。

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圖4:與標準封裝相比,Littelfuse HV封裝提供了更長的爬電距離(引線到引線)

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圖5:Littelfuse絕緣分立封裝橫截面顯示DCB基底

DCB用于散熱,且具有較高的電氣絕緣能力,在2500 VRMS下持續時間長達60秒。這能幫助客戶在最終裝配中省去外部散熱片和附加絕緣安裝步驟,具體取決于散熱器的絕緣和接地概念,從而幫助客戶在系統組裝中節省成本。

與帶有外部絕緣片的非絕緣封裝相比,Littelfuse絕緣式封裝結點至散熱片路徑的整體熱阻RthJH較低,從而大大改善了器件的熱性能。此外,這些絕緣式封裝中芯片和散熱器之間的耦合電容較低,有助于改善EMI。ISOPLUS i4-PAC?和ISOPLUS i5-PAC? (ISOPLUS264?)封裝中的HV分立Si MOSFET顯示具有上述優良特性。如圖6描述,Littelfuse為HV分立Si MOSFET提供的標準封裝、HV封裝和專有絕緣封裝。

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圖6:Littelfuse為HV分立Si MOSFET提供的標準封裝、HV封裝和專有絕緣封裝

應用

圖7 a)HV輔助(AUX)電源示例,它是較大系統的子系統,為柵極驅動單元、測量和監測系統以及其他安全關鍵功能供電。通常情況下需要小于100W的輸出功率和5至48V輸出電壓。因此,廣泛使用如圖7 b)所示的反激式電路。

輔助電源的輸入通常是電源轉換器的HV直流母線電壓。HV反激式電路的固有要求是具有極高阻斷電壓等級的功率器件,以承受來自變壓器次邊的反射電壓。Littelfuse公司HV分立Si MOSFET是HVDC高壓柔性直流輸電、電動汽車(EV)充電器、太陽能逆變器、中壓驅動器、UPS和HV電池應用中之HV AUX電源的完美選擇。

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圖7:a)帶有輔助電源之逆變器簡圖 b)通常用于HV AUX電源的反激式拓撲

Littelfuse公司HV 分立Si MOSFET的另一個應用是脈沖電源。脈沖電源包含在幾分之一秒內快速釋放儲存的能量。圖8 a)是描述脈沖電源應用的簡圖,利用HV MOSFET在短時間內將能量從HV DC輸入電容轉移到負載。脈沖電源用于不同的應用中,例如高能量密度等離子體發生器、強電子束輻射、大功率微波、醫療設備、食品巴氏殺菌、水處理和臭氧生成等等。圖8 b)顯示脈沖電源應用示例,用于醫療診斷和病患治療的基于超聲波診斷成像。

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圖8:a) 脈沖電源應用簡圖 b) 脈沖電源應用示例——產生超聲波

總結

Littelfuse獨特的HV分立功率器件系列支持開發先進的HV應用,而現代HV應用的需求在近期達到空前規模。Littelfuse擁有廣泛的HV分立Si MOSFET產品系列,采用創新的HV封裝和ISOPLUS?獨特封裝。Littelfuse公司MOSFET已成為設計工程師開發新型HV應用的首選產品。Littelfuse分立HV Si MOSFET產品系列具有廣泛的市場定位,特別適用于各種應用的AUX電源解決方案。

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