高壓分立Si MOSFET (≥ 2 kV)及其應(yīng)用

作者：Littelfuse產(chǎn)品工程師Sachin Shridhar Paradkar、產(chǎn)品經(jīng)理Raymon Zhou 和產(chǎn)品總監(jiān)José Padilla

在現(xiàn)今電力電子領(lǐng)域，高壓（HV）分立功率半導(dǎo)體器件變得越來越重要，Littelfuse提供廣泛的分立HV硅(Si)MOSFET產(chǎn)品系列以滿足發(fā)展中的需求。這些產(chǎn)品具有較低的損耗、更好的雪崩特性，以及高可靠性。本文重點(diǎn)介紹Littelfuse提供的≥2 kVHV分立硅MOSFET器件。

分立HV Si MOSFET產(chǎn)品系列市場對比

圖1顯示Littelfuse在HV分立Si MOSFET市場具有領(lǐng)導(dǎo)地位，特別是在1700V以上產(chǎn)品。作為業(yè)界最高電壓阻斷能力（高達(dá)4700V）器件的制造商，Littelfuse是1700V以上HV分立Si MOSFET器件的唯一供應(yīng)商，是市場領(lǐng)導(dǎo)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(chǎn)品系列、具有競爭力的產(chǎn)品性能和先進(jìn)的技術(shù)，能夠支持客戶成功地開發(fā)需求嚴(yán)苛的應(yīng)用。

Littelfuse分立HV Si MOSFET產(chǎn)品系列

圖2描述Littelfuse公司從2000V至4700V獨(dú)特且廣泛的分立HV硅MOSFET產(chǎn)品系列。關(guān)鍵是這些n溝道分立HV MOSFET可以同時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)封裝和獨(dú)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(shè)計(jì)用于需要極高阻斷電壓的快速開關(guān)電源應(yīng)用。HV MOSFET器件是激光和X射線發(fā)生系統(tǒng)、HV電源、脈沖電源等應(yīng)用的最佳解決方案，尤其適合中壓電機(jī)驅(qū)動、光伏（PV）逆變器、高壓柔性直流輸電(HVDC)、機(jī)車牽引和不間斷電源（UPS）中的輔助電源。

此外，由于HV分立Si MOSFET的導(dǎo)通電阻具有正溫度系數(shù)，因此適用于并聯(lián)。與采用串聯(lián)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(lián)低壓(LV) MOSFET方案，使用Littelfuse高壓分立Si MOSFET在實(shí)施HV設(shè)計(jì)方面的主要優(yōu)勢。

圖3：與低壓MOSFET相比，利用Littelfuse的HV Si MOSFET構(gòu)建HV設(shè)計(jì)的主要優(yōu)勢

封裝——獨(dú)特的HV封裝和專有絕緣封裝

Littelfuse提供具有多種優(yōu)勢的獨(dú)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(yīng)用中，功率器件的散熱至關(guān)重要。器件封裝會極大地影響功率器件的熱性能。IXYS-Littelfuse開發(fā)的獨(dú)特HV封裝和專有ISOPLUS?封裝能解決HV應(yīng)用中的絕緣和熱管理等關(guān)鍵問題。如圖4所示，Littelfuse HV封裝與標(biāo)準(zhǔn)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(yōu)勢。Littelfuse的≥2 kV高壓分立Si MOSFET采用的獨(dú)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(shù)（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(yīng)用中減少可能出現(xiàn)的電弧狀況。例如，與標(biāo)準(zhǔn)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(dá)到4.2 mm和9.5 mm。HV應(yīng)用中的另一個關(guān)鍵問題是電氣絕緣， Littelfuse專有絕緣分立ISOPLUS?封裝是實(shí)現(xiàn)HV設(shè)計(jì)的絕佳選擇。如圖5所示，設(shè)計(jì)采用DCB結(jié)構(gòu)，而不是通常的銅引線框架，Si晶圓焊接在上面。

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

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(xù)時(shí)間長達(dá)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(tǒng)組裝中節(jié)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(jié)點(diǎn)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(yōu)良特性。如圖6描述，Littelfuse為HV分立Si MOSFET提供的標(biāo)準(zhǔn)封裝、HV封裝和專有絕緣封裝。

圖6：Littelfuse為HV分立Si MOSFET提供的標(biāo)準(zhǔn)封裝、HV封裝和專有絕緣封裝

應(yīng)用

圖7a）HV輔助（AUX）電源示例，它是較大系統(tǒng)的子系統(tǒng)，為柵極驅(qū)動單元、測量和監(jiān)測系統(tǒng)以及其他安全關(guān)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(zhuǎn)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SiMOSFET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(qū)動器、UPS和HV電池應(yīng)用中之HV AUX電源的完美選擇。

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?fù)?/strong>