WolfPACK 功率模塊的性能優(yōu)于基于硅的功率器件

碳化硅 (SiC) 是一種寬帶隙半導(dǎo)體，近年來已成功應(yīng)用于多種電源應(yīng)用，與基于硅技術(shù)的傳統(tǒng)組件相比，表現(xiàn)出卓越的品質(zhì)?；?SiC 的功率分立器件具有相關(guān)特性，包括高開關(guān)頻率和工作溫度、低傳導(dǎo)損耗、高可靠性和穩(wěn)健性以及改進(jìn)的熱管理。由于這些特性，在電源電路中使用這些組件可以顯著提高效率和功率密度，從而降低解決方案的成本和尺寸。

WolfPACK 是 Wolfspeed 最近向市場推出的功率模塊系列，是希望提高電路效率和功率密度同時(shí)保持非常小的占位面積的設(shè)計(jì)人員的選擇。Wolfspeed WolfPACK 模塊提供兩個(gè)半橋和兩個(gè)六組配置，在非常小的空間內(nèi)集成了適用于中等功率 (10 – 100 kW) 拓?fù)涞腟iC MOSFET。

Wolfspeed 的 WolfPACK 系列

WolfPACK 系列模塊為中等功率應(yīng)用提供插入式解決方案，它們能夠簡化 PCB 布局和印刷電路板上的模塊組裝操作。WolfPACK 模塊占用 PCB 的小面積，提供高效率和功率密度，并降低應(yīng)用的復(fù)雜性和重量。衍生的好處包括更低的維護(hù)成本（一個(gè)模塊取代 N 個(gè)分立元件）、提高可靠性和耐用性。

設(shè)計(jì)人員可以利用集成的 SiC 來提高許多應(yīng)用中的功率級效率，例如電動汽車 (EV) 牽引驅(qū)動、工業(yè)電源、電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、太陽能和可再生能源以及感應(yīng)加熱/焊接應(yīng)用。Wolfspeed WolfPACK 模塊的封裝也是現(xiàn)有硅基模塊的引腳兼容替代品，開啟了插入式系統(tǒng)更新的可能性。圖 1 顯示了 Wolfspeed WolfPACK FM3 模塊的封裝：一個(gè)非常緊湊的組件，帶有 PressFIT 引腳，可提供簡化的集成和高度的靈活性。

圖 1：WolfPACK FM3 模塊包

碳化硅的好處

碳化硅是一種寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體，能夠克服硅提供的許多限制，尤其是在涉及高電壓和電流的電源應(yīng)用中。低傳導(dǎo)損耗，加上在更高開關(guān)頻率（數(shù)百千赫茲）下工作的能力，使這種材料非常節(jié)能。能夠承受非常高的工作溫度，高于大多數(shù)基于硅的功率分立器件（其結(jié)溫 Tj 約為 150°C）所能承受的溫度，顯著改善了熱管理，減少或消除了對昂貴且龐大的熱量的需求散熱系統(tǒng)，例如散熱器。

高溫下效率的提高使基于 SiC 的組件更加可靠，為改造眾多電源應(yīng)用提供了一種選擇，從而延長了它們的使用壽命。改進(jìn)的熱管理還為實(shí)現(xiàn)更高功率密度、減少占地面積和組件重量的制造工藝鋪平了道路。圖 2 顯示了電源應(yīng)用中使用的一些主要半導(dǎo)體提供的性能之間的比較，作為不同擊穿電壓值的函數(shù)。對圖表的檢查顯示了碳化硅如何成為管理涉及高開關(guān)頻率和高電壓的應(yīng)用的最合適的材料，尤其是當(dāng)高于約 600V 時(shí)，氮化鎵提供的限制之一，另一種 WBG 半導(dǎo)體能夠提供完美的表現(xiàn)。

圖 2：某些半導(dǎo)體的性能與擊穿電壓圖

具有高擊穿電壓的特性非常重要，因?yàn)樗闹蹬c飽和狀態(tài)下的漏極和源極之間的電阻或RDS（on）成反比，因此它非常低（大約幾十歐姆）。通過降低電阻，部件產(chǎn)生的能量損失和熱量減少，從而提高效率。SiC MOSFET 的擊穿電壓和 RDS (on) 參數(shù)優(yōu)于傳統(tǒng)硅基器件提供的參數(shù)，這對電源電路設(shè)計(jì)人員來說是一個(gè)巨大的優(yōu)勢。

圖 3 中的圖表提供了一個(gè)示例，其中將 WolfPACK CAB011M12FM3 模塊（如圖 1 所示）的總開關(guān)能量與第三方產(chǎn)品的總開關(guān)能量進(jìn)行了比較（V DS =600V，T J = 150?C） . 還可以觀察到，F(xiàn)M3 模塊在器件電流較高時(shí)在開關(guān)能量（越低越好）方面具有優(yōu)勢。在此比較中，R G選擇由將設(shè)備過沖保持在制造商推薦的工作區(qū)域內(nèi)所允許的最小值決定。雖然比電阻不同，但測量的 dv/dt（更重要的是過沖）在設(shè)備之間匹配（并且兩個(gè)測試使用相同的電源 PCB 和計(jì)量以確保公平比較）。

圖 3：CAB011M12FM3 與同類器件的效率對比

CAB011M12FM3 是半橋內(nèi)部配置的模塊，V DS =1200V，RDS (on) = 12mOhm（在虛擬結(jié)溫變化時(shí)具有高穩(wěn)定性，T VJ），總重量僅為 21 克。圖 4 顯示了模塊的內(nèi)部拓?fù)洌ò霕颍渲邪ㄒ粋€(gè)用于虛擬結(jié)溫測量的負(fù)溫度系數(shù) (NTC) 電阻器。

圖 4：WolfPACK CAB011M12FM3 模塊等效圖

這些模塊最具創(chuàng)新性和當(dāng)前的應(yīng)用是電動汽車充電器，其中 WolfPACK 模塊可用于升級和比較現(xiàn)有高功率解決方案的性能。基于使用高直流電壓的電動汽車快速和超快速充電電路，在可比成本下，整體效率提高 1%，功率密度增加 35%。此外，減少或消除冷卻系統(tǒng)允許設(shè)計(jì)更小、更便宜的機(jī)械外殼。在當(dāng)前基于 IGBT 開關(guān)晶體管的電源應(yīng)用中，將傳統(tǒng)的硅二極管替換為 Wolfspeed 碳化硅肖特基二極管，可以進(jìn)一步降低開關(guān)損耗，高達(dá) 80%。

WolfPACK 系列的一些特點(diǎn)

圖 5：WolfPACK 模塊與分立解決方案的堆疊對比

至于封裝，由于與 PCB 完美的電氣、熱學(xué)和機(jī)械連接，壓入式引腳的存在確保了非常高的可靠性。從圖 4 的框圖中可以看出，電源模塊還集成了一個(gè) NTC，這對于執(zhí)行精確的溫度監(jiān)控特別有用。WolfPACK 系列模塊可用于單個(gè)和多個(gè)配置，其中可以輕松添加更多模塊以適應(yīng)更大的功率要求。在任何一種情況下，模塊設(shè)計(jì)和與 PCB 的接口都可以輕松使用重疊平面，從而大大降低電感并實(shí)現(xiàn)非常快速的切換。

為了促進(jìn)電源模塊和最終應(yīng)用的研究和評估階段，Wolfspeed 為設(shè)計(jì)人員提供了 FM3 半橋評估套件，可以評估和優(yōu)化開關(guān)性能通過精確測量開關(guān)能量和損耗（EON、EOFF、ERR）。以完全類似的方式，F(xiàn)M3 六件式評估套件允許您使用具有 SiC 六件式 MOSFET 內(nèi)部配置的模塊執(zhí)行相同類型的評估和比較，如圖 6 所示。

圖 6：WolfPACK CCB021M12FM3 六塊裝模塊等效圖

審核編輯：湯梓紅