인피니온은 이미 2세대 CoolSIC mosfet 부품을 발표했는데 전압등급은 650V, 1200V, 3300V로서 전기자동차충전, 공업태양에네르기인버터, 서보드라이브, UPS와 철도견인 등 고압공업응용을 대상으로 한다.서버 전력 인수 보정, 다중 레벨 태양열 토폴로지 및 고출력 드라이브 등 저압 응용의 경우 인피니온은 채널 저항 범위가 11m ~ 45m 인 400V SiC MOSFET 를 출시하고 두 가지 다른 4핀 패키지인 TOLL과 D2PAK-7 을 사용한다.

산업용 CoolSiC MOSFET 650 V 분리 개요

인피니티의 최신 650V 분리형 MOSFET는 2세대(G2) SiC 도랑 기술을 기반으로 한다.1세대(G1) CoolSiC 도랑은 신뢰할 수 있는 성능을 제공하고 성능과 신뢰성 사이에서 업계 최고의 균형을 이루는 데 중점을 두고 있으며, 이러한 기능은 새로운 SiC 기술에 대한 고객의 신뢰를 얻는 데 도움이 됩니다.G2는 여기에 더 나은 성능, 더 큰 사용 유연성, 첨단 패키징 기술을 추가하는 동시에 G1이 그리드 산화층 (GoX) 에 비해 신뢰성과 안정성을 유지했다.인피니티 2세대 SiC MOSFET의 스위치 동작이 눈길을 끈다.그림 1에 표시된 성능 계수(FOM) 그림은 이전 세대에 비해 크게 향상된 성능을 보여줍니다.

그림 1

강력한 FOM은 인피니온의 G2 SiC MOSFET가 소프트 스위치 토폴로지의 전형적인 특징인 고주파 설계에 성공적으로 적응할 수 있다는 것을 보여준다.전체적으로 시스템 전력 밀도를 높일 수 있습니다.흥미롭게도 CoolSiC G2 스위치 성능의 개선은 열 계수의 증가를 균형 있게 합니다.그림 2는 서로 다른 인피니티 650V 전력 부품 기술과 대수가 25C에서 R on의 온도 의존성을 보여준다.125C에서 CoolSiC G2의 R on은 G1보다 12% 증가했습니다.그러나 여전히 CoolGaN G1 및 CoolMOS 7보다 최소 20% 낮습니다.

그림 2

장치 저항은 온도에 대한 의존성이 더 강하므로 CoolSiC MOSFET 650 V G2의 전반적인 성능, 특히 시스템 레벨 평가 시 영향을 미치지 않습니다.시스템 손실은 일반적으로 전도 손실과 스위치 손실의 합계입니다.전도 손실은 주로 R on과 관련이 있지만 스위치 손실은 다른 매개변수에 따라 다릅니다.CoolSiC MOSFET G2의 최적 스위치 동작은 온도에 따라 Ron이 더 뚜렷하게 증가하는 것을 상쇄하는 데 도움이됩니다.이를 통해 G2는 3.3kW 연속 전도 모드 토템 (CCM) 극 PFC 측정에서 99.2% 의 안정적인 피크 효율을 달성했습니다. 그림 3과 같습니다.

그림 3

CoolSiC G2는 성능 외에도 설계를 단순화합니다.이는 기생도통 효과가 무시할 수 있는 수준으로 낮아졌기 때문에 -7V에서 23V까지 광범위한 구동 전압을 제공하고 0V 끄기를 훌륭하게 지원한다.0V 끄기를 사용하면 실리콘 기반 하이퍼매듭 MOSFET와 호환되도록 단극 설계를 사용하여 울타리 구동 체계를 단순화할 수 있습니다.

또 다른 일반적인 고객 불만 사항은 시스템 안정성입니다. 특히 산업용 어플리케이션에서는 고가용성 및 낮은 유지 관리 비용이 요구됩니다.신뢰성 측면에서 볼 때, 2세대 CoolSiC MOSFET는 동급 제품 중 최고이며, 시중에 나와 있는 모든 SiC MOSFET 대체품 중 최고의 울타리 산화물 견고성을 활용하고 우주 방사선의 노봉성을 향상시켰다.

2세대 CoolSiC 기술의 일부 독특한 측면은 첨단 패키징 기술을 통해 더욱 강화되었습니다.예를 들어, 모든 분산 G2 제품은 사용됩니다.XT 커넥티드 - 부품의 열 저항(R th, jc)을 낮추는 독점 칩 패치 기술. CoolSiC 포트폴리오는 2024년 중반까지 상단 냉각 패키징(TOLT)으로 보완된다.상단 냉각 SMD 분리형 MOSFET는 TO 및 SMD 패키지의 장점인 전력 밀도를 높이고 조립 비용을 절감하며 업데이트되고 효율적인 설계를 가능하게 합니다.

인피니티는 포트폴리오를 더욱 확장하기 위해 특정 8x8 패키지를 적용한 2세대 650V 기술인 씽톨(ThinTOLL) 출시에도 주력하고 있다.ThinTOLL은 모든 8x8과 완벽하게 호환되는 동시에 표준 8x8보다 4배 높은 온보드 열 순환(TCoB) 기능을 제공합니다.

결론적으로, 새로운 650V 전압 등급은 정교하고 진화하는 포트폴리오를 통해 2세대 CoolSiC MOSFET의 성능, 사용 편의성 및 신뢰성을 최대한 활용하고 첨단 패키징 기술을 기반으로 G2의 장점을 더욱 강화할 것이다.

1200V MOSFET 시리즈

영비릉의.XT 칩 상호 연결 기술은 뛰어난 열 성능과 함께 더 작은 폼 팩터를 구현합니다.채용하다.XT의 새로운 CoolSiC MOSFET 1200 V G2는 칩 연결 공정을 개선하여 케이스 열 저항이 12% 향상되었습니다. 그림 4와 같습니다.따라서 더 높은 출력 전류와 더 긴 부품 수명을 실현할 수 있다..XT 기술은 연결 빈틈을 최소화하고 칩 연결 레이어의 두께를 줄이기 위해 확산 용접 방법을 사용합니다.

그림 4

SiC MOSFET는 기존 실리콘 기반 MOSFET보다 높은 온도에서 작동하는 능력으로 유명합니다.SiC MOSFET 기술과 제조업체마다 특정 온도 정격이 다를 수 있지만 대부분의 SiC MOSFET는 최대 175C의 결온에서 안정적으로 작동하도록 설계되었습니다.인피니온의 CoolSiC MOSFET 1200 V G2는 최대 200C의 온도에서 작동할 수 있으며 총 누적 시간은 100시간입니다.이 장비 사양은 과부하 조건에서 안정성을 높이고 엔지니어에게 시스템 설계의 자유를 제공하기 위해 도입되었습니다.SiC MOSFET의 짧은 과부하 처리 능력은 다양한 애플리케이션에서 중요한 고려 사항입니다.산업 모터 드라이브에서는 갑작스러운 부하 변화, 추가 토크 요구, 심지어 전원 파동도 과부하 상황을 초래할 수 있는데, 이때 더 높은 결온 여유가 매우 유용하다.태양열 인버터와 네트워크 연결 응용은 과부하 상황을 보여주는 다른 좋은 예이다. 왜냐하면 전력망의 전압 파동이 전원 변환기의 운행에 영향을 줄 수 있기 때문이다.전압이 급강하하면 변환기의 출력에 영향을 주고 일시적으로 출력 손실을 증가시켜 심각한 경우 시스템과 전력망을 완전히 끊을 수도 있다.전기 자동차 충전 응용에서 충전기의 전압 파동은 매우 중요하다.입력 전압이 떨어지면 전류가 일시적으로 증가하여 전원 장치에 추가 압력을 가할 수 있습니다.그림 5는 더 높은 온도 제한으로 인해 8m 오메가 부품의 전류 능력이 확대되는 예를 보여줍니다.회색곡선은 전형적인 전력반도체를 대표하며 결온제한은 175C이다.이에 비해 CoolSiC G2의 녹색 곡선은 동일한 작동 지점, 즉 150C에서 더 많은 전류를 구현할 수 있음을 나타냅니다.

그림 5

같은 작업 조건에서 G2 부품인 IMBG120R026M2H와 G1 부품인 IMBG120R030m1H를 상세히 손실 비교한 결과 G2 부품의 전도 손실은 0.7W(~3.5%), 총 스위치 손실은 5.75W(~23%) 감소했다.손실 감소와 R th, jc가 더 좋기 때문에 전체 작업 결온도 낮다.

가동 중지 시간 단축 및 이점 증대

오늘날의 MOSFET는 수십 나노초(ns) 범위에서 전환할 수 있습니다.데이터시트에 제공된 스위치 에너지 곡선은 제3사분면 조작에서 구동 전압의 사구 시간 (체이극관이 통로를 열기 전에 도통하는 시간) 을 감소시켜 부품의 복구 손실과 오픈 손실을 현저하게 줄일 수 있다는 것을 보여준다.권장 데드존 시간 범위는 150ns에서 300ns 사이입니다.제안 값을 구현하면 공칭 부품 값에 비해 오픈 손실이 20% 감소하고 복구 손실이 40% 감소합니다.

데드존 시간 제한은 장치 및 회로의 기생 효과, 게이트 드라이브의 속도 및 스위치 전류 수준과 같은 다양한 요인에 따라 달라집니다.CoolSiC MOSFET G1을 가장 일치하는 G2 부품으로 교체하면 스위치의 기생 커패시터가 개선되었기 때문에 필요한 사구 시간이 30% 단축됩니다.단순한 플러그 앤 플레이 MOSFET로 교체할 경우에도 설계의 여유를 제공합니다.

2kV 분리형 CoolSiC MOSFET

새로운 2kV 분리 CoolSiC MOSFET는 보다 효율적이고 비용 효율적이며 단순화된 에너지 저장 및 태양광 시스템 설계를 개발하여 더 높은 DC 체인 전압에 대한 이러한 애플리케이션의 증가하는 요구를 충족시키는 데 도움이 됩니다.

전력 수준을 높이기 위해 태양광 시스템은 더 높은 시스템 전압으로 전환하고 있습니다. 1500V DC는 점점 더 유행하고 있습니다.이러한 변화는 전력 손실과 시스템 비용을 절감하고 재생 가능 에너지를 보다 저렴하게 만들기 위한 것입니다.

직류 링크 전압이 1500V인 태양열 인버터를 설계할 때 두 가지 선택이 있다.첫 번째 옵션은 3단계 승압기를 직류-직류 최고전력점 추적(MPPT) 레벨로 사용하고 3단계 토폴로지를 사용하는 것입니다. 예를 들어 유원 중립점 집게(ANPC)를 직류-교류 레벨로 사용합니다.두 레벨 모두 시스템 설계가 안전하고 신뢰할 수 있도록 1200V 레벨 장치를 사용합니다.그러나 이 방법은 상대적으로 더 복잡하며 컴포넌트 수도 더 많습니다.두 번째 옵션은 단순화된 레벨 2 토폴로지 및 더 높은 전압 레벨의 장치를 사용하는 것입니다.이 방법은 사용되는 반도체 부품의 성능에 따라 더 효율적일 수 있습니다.설계자는 시스템 비용을 최적화하고 설계 유연성을 높이며 TCO(총 소유 비용)를 절감하기 위해 개별 장치를 선택하는 경우가 많습니다.

현재 최고 전압 등급에서 가장 흔히 볼 수 있는 분리 반도체 부품은 1700V 부품이다.단순화된 2단계 토폴로지를 갖춘 1500V 태양열 인버터 시스템에 1700V급 MOSFET를 사용하는 것은 가능한 선택으로 보이지만 우주 방사선으로 인한 고장의 영향을 고려해야 한다.차단 전압이 정격 전압의 80% 를 초과하면 이러한 장애가 급격히 증가합니다.따라서 토폴로지 2를 갖춘 1500V 태양열 인버터 시스템에 1700V급 MOSFET를 사용하면 고장률이 크게 높아진다.

　　2kV CoolSiC MOSFET

인피니온이 분리형 패키지를 채택한 새로운 CoolSiC MOSFET 2kV는 설계 문제와 신뢰성 문제를 완화할 수 있다.2kV CoolSiC MOSFET와 다이오드를 사용한 태양광 인버터의 성능과 BOM을 1천200V 부품을 적용한 인버터 설계와 비교했다.시스템 레벨 시뮬레이션 결과 CoolSiC 2kV가 적용된 2단계 승압 레벨의 손실은 1200V MOSFET가 적용된 3단계 승압 레벨보다 20% 낮은 것으로 나타났다.마찬가지로 CoolSiC 2kV가 적용된 2등급 DC-AC급의 전력 손실은 1200V 부품이 적용된 3등급 ANPC급보다 15% 낮다.PCIM 2024에 실린 논문'1500V DC 링크 시스템에서 CoolSiC 2kV SiC MOSFET 분리 부품의 성능 평가'에서는 시뮬레이션과 측정 데이터의 상세한 분석이 소개된다.

그림 6

신형 CoolSiC 2 kV는 신형 분리형 TO-247PLUS-4-HCC 고파전 거리와 클리어런스 패키지(그림 6 참조)를 사용하여 고압 절연의 안정성과 안정적인 운행을 보장한다.CoolSiC MOSFET 2kV와 쇼트키 다이오드 2kV로 구성된 포트폴리오는 최적화된 스위치 성능과 높은 차단 전압을 갖춰 1500V DC 시스템에 이상적이다.새로운 2kV MOSFET의 이러한 특성은 고효율, 낮은 부품 수 및 더 작은 시스템 크기 및 무게의 적용이 필요한 이상적인 솔루션으로 개발할 수 있도록 단순화되고 신뢰할 수 있는 설계를 가능하게 합니다.

고출력 탄화규소 모듈

인피니온은 견고하고 내구성이 강한 두 종류를 내놓았다.XT 커넥티드 기술의 새로운 3.3kV급 탄화규소(SiC) 모듈은 전력 및 기술 분야의 표준을 더욱 향상시켰다.이 모듈은 작업 요구량이 높고 순환 요구가 높은 애플리케이션에 고출력(~1.5MW)을 제공하기 위한 것이다.이 모듈은 다음과 같습니다.

FF2000UXTR33T2M1: 실온 전도 저항 1.9mº, 공칭 전류 정격 1000A

FF2600UXTR33T2M1: 실온 전도 저항 2.5m 및 공칭 전류 정격 750A

3.3kV 정격 전압의 CoolSiC MOSFET는 빠른 스위치와 낮은 진동 추세로 최적화되어 총 동적 손실을 감소시킵니다.동기식 정류 모드에서 XHP 2 CoolSiC MOSFET를 사용하고 데드존 시간을 최적화하여 150C에서 총 동적 손실을 약 30% 더 줄일 수 있습니다.이는 집적체 다이오드를 통해 부하 전류가 전달되는 속류 단계의 시작과 종료 시간을 줄이는 것을 의미한다.CoolSiC MOSFET 3.3kV는 대칭 설계와 저전감(L S = 10nH) XHP 2 패키지로 고압 및 대전류 응용에서 고속 스위치 SiC MOSFET의 잠재력을 최대한 활용할 수 있다.

신형 SiC 전력 모듈이 견인 변류기에 제공할 수 있는 더 높은 전력 밀도를 강조하기 위해 우리는 그 성능을 3.3kV IGBT IHV의 성능과 비교하였는데, 후자는 여전히 많은 철도 견인 변류기에서 사용되고 있다.구체적으로 3.3kV IGBT IHV 솔루션 (FZ2400R33H34) 을 기반으로 한 2급 3상 모터 인버터의 성능과 신형 3.3kV SiC XHP 2 모듈 (병렬 FF2000UXTR33T2M1 2개) 을 기반으로 한 2급 3상 모터 인버터의 성능을 비교했다.

비교는 1800V DC 링크 전압 (VDC), 출력 인수 (pf) 0.9, 변조 지수 (m) 0.9 및 수냉 히트싱크의 60C 냉각액 온도 (Ta) 에서 수행됩니다.SiC 기반 솔루션은 설치 공간을 50% 가까이 줄이는 것 외에도 총 손실을 50% 줄여 동일한 스위치 주파수(1.5kHz)에서 출력 전류를 50% 늘리거나 1.5kHz가 아닌 4배 높은 스위치 주파수(6kHz)에서 동일한 전류를 출력한다.

XHP 2 CoolSiC MOSFET의 주요 특징은 낮은 손실, 더 높은 스위치 주파수, 더 높은 전력 밀도를 포함하며, 이러한 특성은 여러 시스템의 장점으로 직접 전환될 수 있습니다.더 적은 손실로 시스템 측면에서 약 10% 의 에너지를 절약하고 더 단순하고 조용한 냉각 시스템을 구현할 수 있습니다.예를 들어, 강제 공기 냉각 대신 수동 모션 냉각을 사용합니다.더 높은 스위치 주파수로 변환기를 실행하면 모터 소음이 줄어들고 자성 부품의 크기가 작고 무게가 가벼워집니다.높은 전력 밀도를 통해 동글 크기를 약 10~25% 줄일 수 있습니다.특히 하이브리드 열차의 경우 시스템 부피와 무게를 줄이는 것이 중요합니다.여기에 추가 공간과 경감된 무게는 크기를 늘려 차량용 견인 배터리의 용량을 늘리는 데 사용할 수 있다.또한 더 가벼운 시스템 무게와 더 높은 효율을 통해 사용 가능한 에너지를 더 잘 활용할 수 있으며 필요한 주행 거리를 달성하는 데 도움이 될 것입니다.또는 필요한 주행거리에 도달했다면 더 가벼운 시스템 무게와 더 높은 효율은 여전히 매우 비싼 견인 배터리 설치 비용을 최적화하고 낮추는 데 도움이 될 것입니다.

높은 출력 외에도 철도 견인과 풍력 발전 등 많은 응용은 강력한 출력 순환 성능과 더 긴 설비 수명을 필요로 한다.탄화규소는 칩의 크기가 작고 특정한 재료 특성 (예를 들어 양씨모양이 규소보다 높음) 이 있기 때문에 탄화규소를 이런 응용에 사용하는 것은 더욱 도전적이다.순환 조건에서 이러한 요소들은 인접한 상호 연결층의 열기계 응력을 더욱 크게 하여 모듈의 전력 순환 능력을 떨어뜨린다.

영비릉의.XT 기술은 상호 연결 계층의 견고성을 높여 이러한 영향을 보상합니다.채용하다.XT의 XHP 2 CoolSiC MOSFET 3.3 kV는 SiC 칩의 구리 전면 금속화 층에 견고한 구리 키 합선, 기판에 소결 칩, 매우 신뢰할 수 있는 시스템 용접재를 갖추고 있다.이는 제품의 순환 능력과 사용 수명을 향상시키고 SiC 전력 순환 성능을 새로운 수준으로 향상시켰다.

설명을 위해서.XT의 강력한 기능은 지역 혼합 추진 열차의 선로 변환기의 예시적인 임무 개황을 바탕으로 표준 연결 기술 (Al 키 합선, 칩의 Al 전면 금속화, 칩 용접, 시스템 용접) 을 채택한 SiC와 채택.XT의 SiC는 수명 시뮬레이션을 수행합니다.

그림 7

시뮬레이션 결과에 따르면,.XT는 표준 연결 기술을 채택한 SiC의 약 4년에서 채택까지 제품의 수명을 한 단계 연장했습니다.XT의 SiC의 약 40년.이는 XT가 높은 결온에서 탄화규소를 충분히 이용하는 데 매우 중요하다는 것을 보여준다.표준 연결 기술이 적용된 SiC에 필요한 30년 수명을 달성하려면 작동 중 최고 결온을 크게 낮춰야 합니다.

이것은 필요한 출력 전류를 달성하기 위해 더 큰 칩 면적이 필요하다는 것을 의미합니다.모듈 레벨에서 병렬로 연결해야 하기 때문에 복잡성과 비용이 증가합니다.

일류의 순환 능력을 제공하는 것 외에,XHP 2 CoolSiC MOSFET용 XT for XHP의 장점에는 높은 서지 전류 내성과 단락 내성 시간도 포함됩니다.이는 시스템 설계자가 장애를 처리할 수 있는 더 큰 자유를 제공합니다.

부스트 테크놀로지는 전력 부품 분야에 집중하여 고객에게 igbt, IPM 모듈 등 전력 부품과 MCU와 터치 칩을 제공하며 핵심 기술을 보유한 전자 부품 공급업체이자 솔루션 업체이다.