在现今电力电子领域中，高压（HV）分离式功率半导体元件变得越来越重要，Littelfuse公司为应对此发展需求，提供各式各样的高压分离式功率元件矽的MOSFET（HV Si-MOSFET）产品系列。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2 kV以上的高压分离式功率元件HV Si-MOSFET。

分离式HV Si-MOSFET产品系列的市场对比

图一显示Littelfuse在高压分离式元件HV Si-MOSFET市场的主导地位，尤其是在1700V以上的产品。Littelfuse为高电压阻断性能（高达4700V）元件的制造供应商，有能力提供1700V以上HV Si-MOSFET元件，目前在市场上还没有其他制造商能提供达到这种高压性能的HV Si-MOSFET元件。Littelfuse拥有高可靠度的产品系列、具有竞争力的产品性能和先进的技术能力，能够支援客户成功开发高要求的应用。

图一 : 高压分离式HV Si-MOSFET产品系列的市场对比

HV Si-MOSFET产品系列

图二展示Littelfuse涵盖2000V至4700V范围，特殊且多样的HV Si-MOSFET产品系列。关键是这些n沟道HV MOSFET可以同时采用标准封装和特殊封装供货，额定电流范围从200 mA到6 A，功耗范围从78W到960 W。这些HV MOSFET能够承受高雪崩能量，专门设计用於需要极高阻断电压的快速开关电源应用。

HV MOSFET元件适合於雷射和X射线发射系统、HV电源、脉冲电源等应用，尤其适合中压马达驱动、太阳能光电（PV）逆变器、高压直流输电（HVDC）、牵引机和不断电供应系统（UPS）等应用中的辅助电源。

图二 : HV Si-MOSFET产品系列

由於HV Si-MOSFET的导通电阻具有正温度系数，因此适合并联运作。与采用串联的低压（LV）MOSFET方法相比，这些HV MOSFET能提供高可靠性且更具成本效益的解决方案。图三列举对比使用串联LV MOSFET方案，使用Littelfuse的HV Si-MOSFET在实施高压设计方面的主要优势。

图三 : 与LV MOSFET相比，利用Littelfuse的HV Si-MOSFET进行高压设计的主要优势

封装特殊的HV封装和专有绝缘封装

Littelfuse提供特殊的HV封装和专有绝缘封装方式，具有多种优势，可为客户提升附加价值。在高电压和高功率条件下，功率元件的散热性能变得十分重要，而元件的封装方式对於功率元件的散热性能具有极大的影响。Littelfuse旗下的IXYS所开发的特殊HV封装和专有ISOPLUS封装，能够解决HV应用中的绝缘和热管理等关键问题。在图四中，可以看到Littelfuse的HV封装与标准封装之间的差异。

Littelfuse的HV封装版本具有更长的爬电距离，这是一项重要的优势。Littelfuse的HV Si-MOSFET元件电压2 kV以上，采用特殊的HV封装，例如：

- 用於表面贴装元件（SMD）的TO-263HV和TO-268HV封装，以及

- 用於通孔技术（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。这将有助於客户在开发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引线到引线的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的专有绝缘分离式ISOPLUS?封装是实现HV设计的理想选择。如图5所示，设计采用直接覆铜（DCB）基板，而不是通常使用的铜引线框架，矽晶片焊接在上面。

图四 : 与标准封装相比，Littelfuse HV封装提供更长的爬电距离（引线到引线）

图五 : Littelfuse的绝缘分离式元件封装横截面显示直接覆铜（DCB）基板

DCB用於散热，并且具有较高的电气隔?能力，可耐受最长达60秒的2500 Vrms电压。客户因此可在最後的装配中省去外部散热片和额外绝缘体安装步骤的需要，具体而言是取决於散热器的隔绝和接地概念，从而协助客户在系统组装中节省成本。

与具有外部绝缘片的非绝缘封装相比，Littelfuse的绝缘式封装结点至散热片路径的整体RthJH热阻较低，从而显着改进元件的散热性能。此外，这些绝缘式封装中，晶片和散热器之间的耦合电容较低，可协助客户改进半导体电磁干扰屏蔽（EMI）效应。ISOPLUS i4-PAC和ISOPLUS i5-PAC（ISOPLUS264）封装中的HV Si-MOSFET便具有上述的优异特性。图六展示Littelfuse为HV Si-MOSFET提供的各种标准封装、HV封装和专有绝缘封装。

图六 : Littelfuse为HV Si-MOSFET提供的各种标准封装、HV封装和专有绝缘封装

相关应用

图七（a）展示HV辅助（AUX）电源的范例，它是较大系统的子系统，为闸极驱动单元、测量和监测系统以及其他安全关键功能供电。通常情况下需要小於100W的输出功率和5至48V输出电压。因此，如图7（b）所示的返驰式电路受到广泛应用。

辅助电源（AUX power）的输入通常是来自电源转换器的HV直流链路电压。HV返驰式电路的原定要求是搭配极高阻断电压等级的功率元件，以承受来自变压器次级侧的反射电压。Littelfuse的HV Si-MOSFET适用於高压柔性直流输电（HVDC）、电动汽车（EV）充电器、太阳能逆变器、中压驱动器、UPS不断电系统和HV电池应用中之HV辅助电源。

图七 : （a）具有辅助电源的逆变器功能区块图；（b）通常用於HV辅助电源的返驰式拓扑

脉冲电源是Littelfuse的HV Si-MOSFET的另一个潜在应用。脉冲电源内含可快速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，其利用HV MOSFET在短时间内将能量从HV直流输入电容转移到负载。脉冲电源可不同的应用中，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）所表示的脉冲电源应用范例，是用於医疗诊断和病患治疗的超声波诊断成像范例。

图八 : （a）脉冲电源应用简图；（b）脉冲电源应用范例产生超声波

总结

Littelfuse特殊的HV分离式功率元件系列持续支援先进的HV应用发展，而现代HV应用的需求在近年来也达到前所未有的规模。Littelfuse拥有各式各样采用创新和特殊封装的HV Si-MOSFET分离式元件产品系列，例如HV封装和ISOPLUS封装；而所提供的MOSFET已成为设计工程人员开发新型HV应用的选择。Littelfuse的HV Si-MOSFET产品系列特殊的市场定位，适合多种产品应用的辅助电源解决方案。

（本文作者为Littelfuse产品工程师Sachin Shridhar Paradkar、产品经理Raymon Zhou和产品总监José Padilla）