高压分立Si MOSFET (≥ 2 kV)及其应用

作者：Littelfuse产品工程师Sachin Shridhar Paradkar、产品经理Raymon Zhou 和产品总监José Padilla

在现今电力电子领域，高压（HV）分立功率半导体器件变得越来越重要，Littelfuse提供广泛的分立HV硅(Si)MOSFET产品系列以满足发展中的需求。这些产品具有较低的损耗、更好的雪崩特性，以及高可靠性。本文重点介绍Littelfuse提供的≥2 kVHV分立硅MOSFET器件。

分立HV Si MOSFET产品系列市场对比

图1显示Littelfuse在HV分立Si MOSFET市场具有领导地位，特别是在1700V以上产品。作为业界最高电压阻断能力（高达4700V）器件的制造商，Littelfuse是1700V以上HV分立Si MOSFET器件的唯一供应商，是市场领导者，目前没有其他制造商提供这种HV水平的分立Si MOSFET器件。Littelfuse拥有广泛的产品系列、具有竞争力的产品性能和先进的技术，能够支持客户成功地开发需求严苛的应用。

Littelfuse分立HV Si MOSFET产品系列

图2描述Littelfuse公司从2000V至4700V独特且广泛的分立HV硅MOSFET产品系列。关键是这些n沟道分立HV MOSFET可以同时采用标准封装和独特封装供货，额定电流范围从200 mA到6 A，功率耗散能力范围从78W到960 W。这些HV MOSFET能够承受高雪崩能量，专门设计用于需要极高阻断电压的快速开关电源应用。HV MOSFET器件是激光和X射线发生系统、HV电源、脉冲电源等应用的最佳解决方案，尤其适合中压电机驱动、光伏（PV）逆变器、高压柔性直流输电(HVDC)、机车牵引和不间断电源（UPS）中的辅助电源。

此外，由于HV分立Si MOSFET的导通电阻具有正温度系数，因此适用于并联。与采用串联的低电压MOSFET方法相比，这些HV分立器件提供了高可靠以及更佳的成本解决方案。图3列举了对比使用串联低压(LV) MOSFET方案，使用Littelfuse高压分立Si MOSFET在实施HV设计方面的主要优势。

图3：与低压MOSFET相比，利用Littelfuse的HV Si MOSFET构建HV设计的主要优势

封装——独特的HV封装和专有绝缘封装

Littelfuse提供具有多种优势的独特HV封装和专有绝缘封装，可为客户带来附加值。在高电压和高功率应用中，功率器件的散热至关重要。器件封装会极大地影响功率器件的热性能。IXYS-Littelfuse开发的独特HV封装和专有ISOPLUS™封装能解决HV应用中的绝缘和热管理等关键问题。如图4所示，Littelfuse HV封装与标准封装之间的差异。

Littelfuse HV封装具有更长的爬电距离，这是重要的优势。Littelfuse的≥2 kV高压分立Si MOSFET采用的独特HV封装，例如：

· 用于表面贴装器件（SMD）的TO-263HV和TO-268HV封装，以及
· 用于通孔技术（THT）PCB的TO-247HV和PLUS247HV封装

在TO-263HV和TO-268HV封装中去除了中间的漏极引脚，在TO-247HV封装中增大了漏极和源极引脚之间的距离，从而增加了爬电距离。这有助于客户在HV应用中减少可能出现的电弧状况。例如，与标准封装相比，TO-263HV和TO-268HV引线到引线爬电距离大约增加了一倍，分别达到4.2 mm和9.5 mm。HV应用中的另一个关键问题是电气绝缘， Littelfuse专有绝缘分立ISOPLUS™封装是实现HV设计的绝佳选择。如图5所示，设计采用DCB结构，而不是通常的铜引线框架，Si晶圆焊接在上面。

图4：与标准封装相比，Littelfuse HV封装提供了更长的爬电距离（引线到引线）


图5：Littelfuse绝缘分立封装横截面显示DCB基底

DCB用于散热，且具有较高的电气绝缘能力，在2500 VRMS下持续时间长达60秒。这能帮助客户在最终装配中省去外部散热片和附加绝缘安装步骤，具体取决于散热器的绝缘和接地概念，从而帮助客户在系统组装中节省成本。

与带有外部绝缘片的非绝缘封装相比，Littelfuse绝缘式封装结点至散热片路径的整体热阻RthJH较低，从而大大改善了器件的热性能。此外，这些绝缘式封装中芯片和散热器之间的耦合电容较低，有助于改善EMI。ISOPLUS i4-PAC™和ISOPLUS i5-PAC™ (ISOPLUS264™)封装中的HV分立Si MOSFET显示具有上述优良特性。如图6描述，Littelfuse为HV分立Si MOSFET提供的标准封装、HV封装和专有绝缘封装。

图6：Littelfuse为HV分立Si MOSFET提供的标准封装、HV封装和专有绝缘封装

应用

图7a）HV辅助（AUX）电源示例，它是较大系统的子系统，为栅极驱动单元、测量和监测系统以及其他安全关键功能供电。通常情况下需要小于100W的输出功率和5至48V输出电压。因此，广泛使用如图7 b)所示的反激式电路。

辅助电源的输入通常是电源转换器的HV直流母线电压。HV反激式电路的固有要求是具有极高阻断电压等级的功率器件，以承受来自变压器次边的反射电压。Littelfuse公司HV分立Si　MOSFET是HVDC高压柔性直流输电、电动汽车（EV）充电器、太阳能逆变器、中压驱动器、UPS和HV电池应用中之HV AUX电源的完美选择。

图7：a）带有辅助电源之逆变器简图 b）通常用于HV AUX电源的反激式拓扑

Littelfuse公司HV分立Si MOSFET的另一个应用是脉冲电源。脉冲电源包含在几分之一秒内快速释放储存的能量。图8 a)是描述脉冲电源应用的简图，利用HV MOSFET在短时间内将能量从HVDC输入电容转移到负载。脉冲电源用于不同的应用中，例如高能量密度等离子体发生器、强电子束辐射、大功率微波、医疗设备、食品巴氏杀菌、水处理和臭氧生成等等。图8 b)显示脉冲电源应用示例，用于医疗诊断和病患治疗的基于超声波诊断成像。

图8：a) 脉冲电源应用简图 b) 脉冲电源应用示例——产生超声波

摘要

Littelfuse独特的HV分立功率器件系列支持开发先进的HV应用，而现代HV应用的需求在近期达到空前规模。Littelfuse拥有广泛的HV分立Si MOSFET产品系列，采用创新的HV封装和ISOPLUS™独特封装。Littelfuse公司MOSFET已成为设计工程师开发新型HV应用的首选产品。Littelfuse分立HV Si MOSFET产品系列具有广泛的市场定位，特别适用于各种应用的AUX电源解决方案。