業(yè)內(nèi)獨(dú)創(chuàng)!WAYON維安內(nèi)置絕緣封裝高壓MOSFET由代理KOYUELEC光與電子提供技術(shù)選型和方案應(yīng)用

近年來，新一代電動(dòng)汽車的進(jìn)一步普及，促進(jìn)了更高效、更小型、更輕量的電動(dòng)系統(tǒng)的開發(fā)。同時(shí)，在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，為延長(zhǎng)續(xù)航里程，車載電池的容量呈日益增加趨勢(shì)，隨著新能源汽車?yán)m(xù)航里程不斷提升，相應(yīng)的電池容量日益提高,如特斯拉Modle S 2021款長(zhǎng)續(xù)航升級(jí)版(719km)電池容量100kWh，與此同時(shí)，還要求縮短充電時(shí)間， Modle S 2021款快充時(shí)間1小時(shí)。為了解決這些問題，能夠?qū)崿F(xiàn)高耐壓和低損耗的功率元器件被寄予厚望。

高功率、高效率就意味著需要更低導(dǎo)通電阻的MOSFET，目前TO-247封裝是高功率充電機(jī)、充電樁電源模塊應(yīng)用中使用最多的封裝形式。但常規(guī)TO-247封裝框架和漏極直接相連，非絕緣特性使得應(yīng)用的時(shí)候必須外部安裝絕緣片，復(fù)雜的生產(chǎn)過程容易造成外部絕緣片破裂，導(dǎo)致絕緣強(qiáng)度下降甚至短路，使得產(chǎn)品整體可靠性下降。

圖1 常規(guī)TO-247 封裝示意圖

圖2 充電機(jī)TO-247安裝示意圖

圖3 外部絕緣片破損示意圖

功率器件安裝到散熱器使用時(shí)，系統(tǒng)熱阻包括封裝芯片Rthj-c和散熱器到環(huán)境電阻Rth(h-a)，結(jié)到環(huán)境總熱阻Rth(j-a) = Rth(j-c) + Rth(c-h) + Rth(h-a)。

圖4 MOSFET die 模型

圖5 TO247 MOSFET封裝結(jié)構(gòu)

硅芯片通過預(yù)成型件連接到框架，整個(gè)結(jié)構(gòu)封裝在樹脂中，由于樹脂的熱導(dǎo)率非常低，因此硅芯片散熱的首選路徑是熱導(dǎo)率較高的銅質(zhì)背面，管芯內(nèi)產(chǎn)生的功率會(huì)改變器件的溫度，并根據(jù)所涉及層的熱電容和電阻(從硅到封裝背面)使器件溫度升高，類似于圖4所示的熱模型。

維安創(chuàng)新的內(nèi)置絕緣封裝可將陶瓷絕緣片封裝到內(nèi)部，降低散熱器到環(huán)境電阻Rth(h-a)，內(nèi)部陶瓷絕緣材料緩沖了功率MOSFET封裝中硅片和銅框架的熱膨脹系數(shù)的差異，顯著減少相鄰層之間的熱失配，提高了功率循環(huán)耐受性，進(jìn)而降低器件結(jié)溫給應(yīng)用帶來諸多優(yōu)點(diǎn)。

圖6 常規(guī)封裝熱阻示意圖

圖7 常規(guī)TO-247封裝安裝示意圖

優(yōu)點(diǎn)一：熱阻低

采用恒功率模塊電路進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試，對(duì)比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得出結(jié)論：相比外部絕緣片，內(nèi)部絕緣結(jié)到散熱器熱阻更低，故而內(nèi)置絕緣整體熱阻比普通封裝加外置絕緣片的系統(tǒng)熱阻低。

圖8 恒功率模塊電路驗(yàn)證測(cè)試

圖9 TO-247 外部加絕緣片熱阻評(píng)估

圖10 TO-3P ISO內(nèi)部絕緣封裝熱阻評(píng)估

圖9溫升數(shù)據(jù) △T =40 ℃，P=28.86W，R=1.38℃/W;

圖10溫升數(shù)據(jù) △T ℃=33.7 ℃，P=29W，R=1.16℃/W。

優(yōu)點(diǎn)二：溫升低

低熱阻也使得實(shí)際應(yīng)用過程中器件溫升較低，如下150W LED電源驗(yàn)證測(cè)試對(duì)比數(shù)據(jù)，在220VAC 輸入條件下內(nèi)置絕緣產(chǎn)品WMC53N60F2表面溫度比常規(guī)TO-247 WMJ53N60F2低5.1℃，且低溫升還能提高器件的使用壽命。

圖11 溫升對(duì)比曲線

優(yōu)點(diǎn)三：高可靠性

簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝，避免生產(chǎn)工藝導(dǎo)外部致絕緣片破裂導(dǎo)致的故障，提高可靠性。

圖12 內(nèi)置絕緣封裝安裝示意圖

封裝的銅框架和半導(dǎo)體硅芯片熱膨脹系數(shù)差異較大，使用陶瓷絕緣片可以減低二者熱膨脹系數(shù)差異，提高功率循環(huán)的可靠性。

圖13熱膨脹系數(shù)差異

外部異常應(yīng)力導(dǎo)致炸機(jī)，絕緣特征依然存在，即異常失效后仍有絕緣特征。

圖14 管體異常裂隙

常規(guī)TO-247的封裝安裝孔和框架的絕緣距離是3.7mm, 在某些要求較高的應(yīng)用中，安全距離可能不滿足要求，內(nèi)置絕緣封裝有更大的安規(guī)要求距離。 內(nèi)置絕緣器件絕緣耐壓測(cè)試>2500VAC。

圖15 內(nèi)置絕緣封裝安裝孔距

業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的深溝槽工藝與獨(dú)創(chuàng)的內(nèi)絕緣封裝結(jié)合，使得SJMOSFET具有業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的超高功率密度，可大大提升電源的總體功率密度，節(jié)省空間。目前內(nèi)置絕緣封裝產(chǎn)品主要面向高功率電源模塊，比如新能源汽車地面充電樁模塊電源，充電機(jī)高功率和電子負(fù)載類儀表儀器行業(yè)。

維安內(nèi)置絕緣主推的物料

審核編輯：湯梓紅