在用于管理半導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 80% 可以改變游戲規則。上個月，英飛凌科技推出了采用 .XT 互連技術、采用 1，200V 優化 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動器等功率密度關鍵的電機驅動器領域實現被動冷卻，從而支持機器人和自動化行業實施免維護和無風扇電機逆變器。

在自動化領域，無風扇解決方案帶來了新的設計機會，因為它們節省了維護和材料的成本和精力。英飛凌采用 .XT 互連技術的 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。由此產生的小系統尺寸使其成為機械臂中驅動集成的理想選擇。

伺服驅動

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

伺服驅動器是許多自動化生產設備（如機器人、傳送帶等）中的電機驅動元件。 SiC MOSFET 的歐姆傳導損耗和完全可控的開關瞬變與其負載曲線完美匹配。

由于節能、尺寸減小、集成機會和可靠性等特性，在電機控制和電力控制應用中使用SiC 器件通常是一個真正的突破。在其他選項中，現在可以在逆變器電路中使用所連接電機的最佳開關頻率，這在電機設計中具有重要優勢。

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。這符合伺服電機的要求。

“該產品采用的芯片技術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損耗和獨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，在這些產品中啟用了零伏關斷選項，這顯著簡化了驅動電路。正如對碳化硅 MOSFET 的預期，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 Peter Friedrichs 博士說。

SMD 封裝允許通過全自動生產線進行非常簡單的組裝。由于與 IGBT 解決方案相比損耗低，英飛凌強調，這種晶體管技術可以實現功率半導體的無風扇冷卻。它符合電機驅動逆變器設計者多年的夢想，因為它自然大大減少了現場維護。

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

圖 1：所有工作模式下的傳導損耗降低（來源：英飛凌）

這種特定的驅動循環與類似于碳化硅 MOSFET 中的線性輸出特性相結合，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載模式下，我們可以勝過 IGBT 的傳導損耗。在我們有反向輸出操作的制動期間，由于內部體二極管的相同情況，我們也再次能夠顯著降低傳導損耗。因此，在所有操作模式下，您都可以降低靜態損耗。這同樣適用于開關損耗。那些當然受到切換速度的嚴重影響。但是，即使在 5 到 10 伏特/納秒的低 dV/dt 范圍內（這在幾種驅動器中是典型的），與當今的 IGBT 相比，總開關損耗也可以降低 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的開關行為，”弗里德里希斯說。

圖 2：CoolSiC Mosfet 與 IGBT 的比較

在不同的驅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，根據為 CoolSiC 選擇的功率類型，可以在相同的外形尺寸下實現更高的電流，同時仍保持恒定的結溫，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 允許在沒有風扇的情況下驅動更高的電流。

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

模壓封裝中分立器件的經典互連技術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。因此，芯片和引線框之間沒有添加任何材料，導致Rth顯著降低。

“我們相信，借助這項新技術，我們可以為多個驅動器細分市場提供當今經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現，甚至在基于框架的電源模塊中實現。然而，它們都需要散熱器。現在，有了這種新工藝、優化的熱行為和強大的內部芯片技術，我們相信基于 SMD 組件的非常智能和緊湊的設計是可能的，而無需傳統和笨重的散熱器。我們的參考設計展示了如何在實際應用中使用該技術，”Friedrichs 說。

碳化硅允許在更高密度的功率水平下運行。在許多基于電力電子的應用中，例如工業電機控制單元，空間、重量和效率等要求發揮著越來越重要的作用。隨著 SiC 生態系統的進步，許多解決方案將受益于整體損耗的降低、成本和驅動器尺寸的降低。

審核編輯：郭婷