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高壓分離式功率元件HV Si-MOSFET應用效能
 

【作者: Littelfuse】   2023年08月01日 星期二

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在現今電力電子領域中,高壓(HV)分離式功率半導體元件變得越來越重要,Littelfuse公司為應對此發展需求,提供各式各樣的高壓分離式功率元件矽的MOSFET(HV Si-MOSFET)產品系列。這些產品具有較低的損耗、更好的雪崩特性以及高可靠性。本文重點介紹Littelfuse提供2 kV以上的高壓分離式功率元件HV Si-MOSFET。


分離式HV Si-MOSFET產品系列的市場對比

圖一顯示Littelfuse在高壓分離式元件HV Si-MOSFET市場的主導地位,尤其是在1700V以上的產品。Littelfuse為高電壓阻斷性能(高達4700V)元件的製造供應商,有能力提供1700V以上HV Si-MOSFET元件,目前在市場上還沒有其他製造商能提供達到這種高壓性能的HV Si-MOSFET元件。Littelfuse擁有高可靠度的產品系列、具有競爭力的產品性能和先進的技術能力,能夠支援客戶成功開發高要求的應用。



圖一 : 高壓分離式HV Si-MOSFET產品系列的市場對比
圖一 : 高壓分離式HV Si-MOSFET產品系列的市場對比

HV Si-MOSFET產品系列

圖二展示Littelfuse涵蓋2000V至4700V範圍,特殊且多樣的HV Si-MOSFET產品系列。關鍵是這些n溝道HV MOSFET可以同時採用標準封裝和特殊封裝供貨,額定電流範圍從200 mA到6 A,功耗範圍從78W到960 W。這些HV MOSFET能夠承受高雪崩能量,專門設計用於需要極高阻斷電壓的快速開關電源應用。


HV MOSFET元件適合於雷射和X射線發射系統、HV電源、脈衝電源等應用,尤其適合中壓馬達驅動、太陽能光電(PV)逆變器、高壓直流輸電(HVDC)、牽引機和不斷電供應系統(UPS)等應用中的輔助電源。



圖二 : HV Si-MOSFET產品系列
圖二 : HV Si-MOSFET產品系列

由於HV Si-MOSFET的導通電阻具有正溫度係數,因此適合並聯運作。與採用串聯的低壓(LV)MOSFET方法相比,這些HV MOSFET能提供高可靠性且更具成本效益的解決方案。圖三列舉對比使用串聯LV MOSFET方案,使用Littelfuse的HV Si-MOSFET在實施高壓設計方面的主要優勢。



圖三 : 與LV MOSFET相比,利用Littelfuse的HV Si-MOSFET進行高壓設計的主要優勢
圖三 : 與LV MOSFET相比,利用Littelfuse的HV Si-MOSFET進行高壓設計的主要優勢

封裝—特殊的HV封裝和專有絕緣封裝

Littelfuse提供特殊的HV封裝和專有絕緣封裝方式,具有多種優勢,可為客戶提升附加價值。在高電壓和高功率條件下,功率元件的散熱性能變得十分重要,而元件的封裝方式對於功率元件的散熱性能具有極大的影響。Littelfuse旗下的IXYS所開發的特殊HV封裝和專有ISOPLUS封裝,能夠解決HV應用中的絕緣和熱管理等關鍵問題。在圖四中,可以看到Littelfuse的HV封裝與標準封裝之間的差異。


Littelfuse的HV封裝版本具有更長的爬電距離,這是一項重要的優勢。Littelfuse的HV Si-MOSFET元件電壓2 kV以上,採用特殊的HV封裝,例如:


- 用於表面貼裝元件(SMD)的TO-263HV和TO-268HV封裝,以及


- 用於通孔技術(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。這將有助於客戶在開發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引線到引線的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的專有絕緣分離式ISOPLUS?封裝是實現HV設計的理想選擇。如圖5所示,設計採用直接覆銅(DCB)基板,而不是通常使用的銅引線框架,矽晶片焊接在上面。



圖四 : 與標準封裝相比,Littelfuse HV封裝提供更長的爬電距離(引線到引線)
圖四 : 與標準封裝相比,Littelfuse HV封裝提供更長的爬電距離(引線到引線)

圖五 : Littelfuse的絕緣分離式元件封裝橫截面顯示直接覆銅(DCB)基板
圖五 : Littelfuse的絕緣分離式元件封裝橫截面顯示直接覆銅(DCB)基板

DCB用於散熱,並且具有較高的電氣隔?能力,可耐受最長達60秒的2500 Vrms電壓。客戶因此可在最後的裝配中省去外部散熱片和額外絕緣體安裝步驟的需要,具體而言是取決於散熱器的隔絕和接地概念,從而協助客戶在系統組裝中節省成本。


與具有外部絕緣片的非絕緣封裝相比,Littelfuse的絕緣式封裝結點至散熱片路徑的整體RthJH熱阻較低,從而顯著改進元件的散熱性能。此外,這些絕緣式封裝中,晶片和散熱器之間的耦合電容較低,可協助客戶改進半導體電磁干擾屏蔽(EMI)效應。ISOPLUS i4-PAC和ISOPLUS i5-PAC(ISOPLUS264)封裝中的HV Si-MOSFET便具有上述的優異特性。圖六展示Littelfuse為HV Si-MOSFET提供的各種標準封裝、HV封裝和專有絕緣封裝。



圖六 : Littelfuse為HV Si-MOSFET提供的各種標準封裝、HV封裝和專有絕緣封裝
圖六 : Littelfuse為HV Si-MOSFET提供的各種標準封裝、HV封裝和專有絕緣封裝

相關應用

圖七(a)展示HV輔助(AUX)電源的範例,它是較大系統的子系統,為閘極驅動單元、測量和監測系統以及其他安全關鍵功能供電。通常情況下需要小於100W的輸出功率和5至48V輸出電壓。因此,如圖7(b)所示的返馳式電路受到廣泛應用。


輔助電源(AUX power)的輸入通常是來自電源轉換器的HV直流鏈路電壓。HV返馳式電路的原定要求是搭配極高阻斷電壓等級的功率元件,以承受來自變壓器次級側的反射電壓。Littelfuse的HV Si-MOSFET適用於高壓柔性直流輸電(HVDC)、電動汽車(EV)充電器、太陽能逆變器、中壓驅動器、UPS不斷電系統和HV電池應用中之HV輔助電源。



圖七 : (a)具有輔助電源的逆變器功能區塊圖;(b)通常用於HV輔助電源的返馳式拓撲
圖七 : (a)具有輔助電源的逆變器功能區塊圖;(b)通常用於HV輔助電源的返馳式拓撲

脈衝電源是Littelfuse的HV Si-MOSFET的另一個潛在應用。脈衝電源內含可快速在幾分之一秒內快速釋放儲存的能量。圖8(a)是描述脈衝電源應用的簡圖,其利用HV MOSFET在短時間內將能量從HV直流輸入電容轉移到負載。脈衝電源可不同的應用中,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)所表示的脈衝電源應用範例,是用於醫療診斷和病患治療的超聲波診斷成像範例。



圖八 : (a)脈衝電源應用簡圖;(b)脈衝電源應用範例—產生超聲波
圖八 : (a)脈衝電源應用簡圖;(b)脈衝電源應用範例—產生超聲波

總結

Littelfuse特殊的HV分離式功率元件系列持續支援先進的HV應用發展,而現代HV應用的需求在近年來也達到前所未有的規模。Littelfuse擁有各式各樣採用創新和特殊封裝的HV Si-MOSFET分離式元件產品系列,例如HV封裝和ISOPLUS封裝;而所提供的MOSFET已成為設計工程人員開發新型HV應用的選擇。Littelfuse的HV Si-MOSFET產品系列特殊的市場定位,適合多種產品應用的輔助電源解決方案。


(本文作者為Littelfuse產品工程師Sachin Shridhar Paradkar、產品經理Raymon Zhou和產品總監Jose Padilla)


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