​英飞凌600 V CoolMOS™ 8 新一代硅基MOSFET技术助力电力电子行业变革

该技术将对数据中心、可再生能源和消费电子等行业产生深远影响。

 

在日新月异的电力电子行业，对更高效、更强大、更紧凑元器件的需求持续存在。对于新一代硅基MOSFET，英飞凌进行了巨大的研发投入，以重新定义系统集成标准，使其在广泛的电力电子应用中能够实现更高功率密度和效率。
 

 

在英飞凌，CoolMOS 8的推出意味着这些投入已经取得了成效。它是一项先进的MOSFET技术，集成快速体二极管，能够让设计人员和工程师前所未有地获益。该技术是对英飞凌现有宽禁带半导体技术的有力补充，将对数据中心、可再生能源和消费电子等行业产生深远影响。

 

 

在了解关键特性和益处之前，我们先来看看CoolMOS 8的起源。CoolMOS 8是英飞凌新一代硅基MOSFET技术，旨在取代现有的高/低功率开关电源（SMPS）的CoolMOS 7产品系列。它是CoolGaN和CoolSiC宽禁带半导体技术的有力补充。该产品组合将使设计人员能够满足不同类型的电力电子应用需求。CoolMOS 8主要面向消费和工业终端市场；这意味着，该系列并未包含适用于汽车应用的器件。汽车应用的设计人员可以继续使用现有的车规级CoolMOS 7器件。

 

CoolMOS 8的创新之处在于，该系列所有器件中都集成了快速体二极管，使得设计人员能将该系列产品用于目标应用中的所有主要拓扑。600 V CoolMOS 8产品系列具有完善的产品组合，英飞凌最先将供应直插封装、表面贴装和顶部冷却（TSC）器件。CoolMOS 8 MOSFET还比同类竞品具有更高的电流处理能力，且拥有最小的导通电阻（RDS(on)）与面积乘积。

 

但这对设计人员和工程师意味着什么呢？CoolMOS 8在最终面向消费和工业市场推出后，将大大简化英飞凌客户的产品选型；因为相比已有的CoolMOS 7产品系列，它的产品数量减少了50%以上。在CoolMOS 7产品系列下，拥有快速体二极管的器件通过在产品名称中包含“FD”来进行区分。CoolMOS 8系列下的所有产品都拥有快速体二极管（无论导通电阻（RDS(on)）值为何），这意味着它无需再遵循之前的命名规则。

 

当前供应的600 V CoolMOS 8产品组合（2024年）

 

 

 

CoolMOS 8 的关键特性
 

 

上面我们回顾了一些产品开发背景和原理，现在我们来看看CoolMOS 8的一些关键特性。这包括用于谐振拓扑的最佳快速体二极管性能，先进芯片焊接技术，以及创新的顶部冷却（TSC）封装技术。

 

相比CoolMOS 7系列同类器件，CoolMOS 8技术的关断损耗（Eoss）降低10%，输出电容（Coss）降低50%。CoolMOS 8器件相比CoolMOS 7还将热阻降低至少14%，大大改进了热性能。能够实现这一改进，是因为使用了英飞凌专有的互连技术（.XT），该技术提高了将硅芯片连接至引线框架时的热导率。这些性能优势使得CoolMOS 8比CoolMOS 7 具有更高效率。

（3.3 kW）LLC级与（2.5 kW）PFC级之间的相对效率比较

 

CoolMOS 8 MOSFET采用的创新ThinTOLL 8 × 8封装，相比ThinPAK 8 × 8封装具有更优的性能，有助于保持引脚兼容性。ThinTOLL 8 × 8封装占板面积小，有助于实现高功率密度；且充分利用了英飞凌先进的互连技术，提高了热性能。ThinTOLL封装尽管尺寸小巧，但在电路板温度循环试验中的故障率与采用TOLL封装的器件非常接近，且二者具有几乎相同的性能因数。

新ThinTOLL 8 × 8封装与ThinPAK 8 × 8封装的尺寸比较

 

封装的升级不仅有助于实现大批量组装和改进电路板设计，还通过帮助实现高引脚数器件的全自动处理，使得在成本高昂的组装工厂进行光学焊接检测更容易。凭借在最近七年里累计交付的超过67亿颗器件中，仅有过5次现场故障，CoolMOS 8无疑巩固了英飞凌在可靠性方面的卓越声誉。

 

 

 

对系统集成的益处
 

 

 

 

CoolMOS 8对系统集成的益处，可通过英飞凌利用该系列器件进行的参考设计来证明。例如，一台3.3 kW高频率和超紧凑整流器可达到97.5%的效率，以及95 W/in3的功率密度，尺寸为1U时也是如此。能达到如此高的工作效率和功率密度，是因为在设计中联合使用了CoolMOS 8、CoolSiC及CoolGaN 技术；它采用了创新的集成式平面磁性结构，并对图腾柱功率因数校正（PFC）级和半桥GaN LLC DC/DC功率变换级进行完全数字化控制。

 

 

单独提供的2.7 kW配套评估板展示了利用无桥图腾柱PFC和LLC DC/DC功率变换级构建的高效率（>96%）电源装置（PSU）。这一高功率密度的设计联合使用了650 V CoolSiC和600 V CoolMOS 8开关技术。该PSU可利用XMC1404控制器（控制PFC级）和XMC4200控制器（控制LLC级）进行数字化控制，使得可以控制和调整PFC开关频率，以进一步减小电感器尺寸，和/或降低功耗。试验表明，该PSU在高负载条件下的效率提高了0.1%，使其相比利用CoolMOS 7 MOSFET构建的类似设计，拥有更低功耗和更好的散热性能。

 

当前供应的评估板（2.7-kW PSU和3.3-kW HD/HF SMPS）

 

 

 

主要应用

 

 

 

CoolMOS 8器件是工业和消费市场中不同SMPS应用的理想选择。但它们仍然尤其适用于数据中心和可再生能源等重要终端市场。在数据中心应用领域，CoolMOS 8通过实现利用硅器件可能达到的、尽可能最高的系统级功率密度，来帮助设计人员达成能源效率和总拥有成本目标。在可再生能源应用领域，采用顶部冷却（TSC）封装的CoolMOS 8器件，可帮助减小系统尺寸和降低解决方案成本。

 

面向目标应用的DDPAK和QDPAK封装产品

 

由于600 V CoolMOS 8还拥有极低的导通电阻（RDS(on)）值（7 mΩ），因此在日益壮大的固态继电器应用（S4）市场，它适合作为替代CoolSiC 的、更具性价比的技术。相比机械继电器，固态继电器拥有更快开关速度，不产生触点拱起或弹跳，因而能够延长系统寿命。它们还具有良好的抗冲击、抗振动能力，以及低噪声。

 

另外，通过将CoolMOS 8与CoolSiC 器件结合使用，设计人员还可优化系统级性价比。对于2型壁挂式充电盒、轻型电动交通工具、无线充电器、电动叉车、电动自行车和专业工具充电，CoolMOS 8还可帮助实现更具成本竞争力的设计。在更宽泛的消费类应用领域，CoolMOS 8可让终端产品更容易满足静电放电要求，并助力实现更灵活的系统设计。与此同时，顶部冷却（TSC）封装还有助于进一步降低组装成本，并提高功率密度。

 

 

 

与先进MOSFET设计有关的

下一步计划

 

 

 

我们不久就会推出用于驱动CoolMOS 8 MOSFET的新一代栅极驱动器，使其能够在开关应用中实现最优的RDS(on)性能。这些EiceDRIVER栅极驱动器将具有单极驱动能力，以及封装共模瞬变抗扰度（@600 V），能够帮助简化系统认证与合规。由于厚度减小，CoolMOS 8器件非常适合使用QDPAK TSC封装，甚至可被置于散热片的下面。英飞凌还计划在未来几年内推出采用多种不同封装的CoolMOS 8 MOSFET。

 

600 V CoolMOS 8新一代硅基MOSFET技术的推出，推动电力电子领域取得了一次重大进展。集成快速体二极管、先进芯片焊接技术以及创新封装技术等重要配置，凸显出英飞凌致力于提供先进解决方案以满足设计人员和工程师的更高需求的坚定决心。通过极低的现场故障率可以证明，这项技术还具有良好的热性能及可靠性。

 

随着CoolMOS 8器件逐渐出现在不同的SMPS应用中，尤其是数据中心和可再生能源等应用领域，它们将帮助实现更节能、更紧凑和更具性价比的设计。未来，通过充分发挥CoolMOS 8 MOSFET与即将推出的新一代栅极驱动器之间的协同作用，英飞凌将采取一体化方法来推进MOSFET的设计和应用。这一旅程将帮助巩固英飞凌的半导体技术领先地位，并为未来的发展奠定坚实基础。