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Wolfspeed 模块产品组合如何服务于整个功率范围

2022/8/1 10:13:58      材料来源:化合物半导体

相对于传统硅(Si)元器件,碳化硅(SiC)技术的性能得到全面提升,包括:更低的功率损耗、更快的开关速度、更高的工作温度、更高的功率密度、更高的整体效率。
 
Wolfspeed 升级后的功率模块产品组合可通过行业标准封装实现以下优势:配置可服务于多种应用,同时通过行业标准封装和高功率模块中的封装优化,在与低功率、基于分立方案的应用之间架起了桥梁,涵盖整个功率范围。
 
本文旨在展示设计人员如何在降低成本的同时提高系统效率,更重要的是,如何大幅提高系统的整体可靠性。
 
Wolfspeed 产品线简要概述
 
Wolfspeed 产品组合涵盖大量需要低至高功率解决方案的许多行业和应用,包括电动汽车(EV)、工业电源、电网基础设施、太阳能和可再生能源、测试设备、不间断电源(UPS)和其它高功率系统。其中包括 1200 V 和 1700 V 的 基于SiC 的不同封装模块,具有多种 MOSFET 拓扑结构,提供肖特基和 MOSFET 体二极管反并联选项,可提前进行仿真以加快上市时间。图 1 所示为该产品线以及部分功率范围和应用。
 
▲ 图 1:Wolfspeed 模块产品组合
 
您会发现,Wolfspeed WolfPACK™ 系列功率模块采用弹簧承载的无基板设计(包含压接式引脚),适用于中等功率应用,而 BM-、XM- 和 HM- 基板模块可在更高的电流范围内运行。无论如何应用,所有模块都旨在实现相同的目标,即:最大限度地提高功率密度、简化布局/组装、实现可扩展的系统和平台、最大限度降低人工和系统组件成本,同时提供最高级别的可靠性。
 
Wolfspeed WolfPACK™ SiC 功率模块
 
全新的 Wolfspeed WolfPACK™ 系列产品(FM3/GM3)可在无基板、压接式互连外壳中提供动力。该产品系列提供两种最常见的 MOSFET 配置(目前为六管集成和半桥),使众多功率级能够受益于 SiC 的优势。这些模块还提供功率密度较高、重量较轻的系统组件。总体而言,Wolfspeed WolfPACK™ 模块有助于缩小整体尺寸,减少复杂性,同时降低系统和维护成本。Wolfspeed WolfPACK™ 模块为设计者提供可靠的中等功率范围解决方案,可实现适当扩展,在必要时进行无缝式系统升级。
 
Wolfspeed WolfPACK™ 外壳使用金属安装片作为弹力接口,配备散热片,用于优化热管理性能,在热结处提供均匀压力。仔细观察,其陶瓷直接敷铜基板可增强散热片电气隔离,并且实现较低热阻,从而以更高载流量实现更好的热性能。Wolfspeed WolfPACK™ 还配备了压接引脚,由于在插入有镀层的 PCB 时受到紧密压缩,因此可提供高可靠性和出色的电气和机械特性。通过与内部 MOSFET 排列相对应的引脚阵列,设计者可通过行业标准封装尺寸实现简单的单向安装。如果应用需要多个模块,内部 PCB 安装方法还提供将多个模块连接在一起的选项,以满足高功率需求。图 2 所示为 FM3 和 GM3 WolfPACK™ 模块。
 
▲ 图 2:Wolfspeed WolfPACK™ FM3(顶部)和 GM3(底部)外壳
 
Wolfspeed BM 行业标准 62 mm 模块
 
Wolfspeed 的行业标准 62 mm SiC 模块可实现业界最为丰富的高功率解决方案组合,专为满足多种要求而设计,支持前所未有的系统功率和效率。设计者目前可将 62 mm IGBT 替换为采用 SiC 技术的 Wolfspeed 62 mm BM 模块,帮助降低冷却要求、系统成本、功率损耗和系统电感,同时优化电压利用率。
 
BM 62 mm 系列模块采用 1.2 kV 和 1.7 kV 半桥拓扑结构,可提供高达530 A的电流。这些模块的材料可针对不同的运行条件进行选择,例如,Wolfspeed 提供符合THB-80 标准的外壳材料选项,提高恶劣环境下应用的稳健性。
 
BM 系列模块(见图 3)采用螺丝端子,利用叠层母线或 PCB 和铜基板实现高功率系统的安全连接,最大限度地提高导热性和机械强度。此外,螺丝端子还具有 5 kV 隔离的爬电距离和电气间隙,可支持 1.7 kV 有源器件。所有器件均采用行业标准的 62 mm 封装,可轻松实现 200 kW+ 的系统升级和直接替换。
 
▲ 图 3:Wolfspeed BM 系列模块采用 62 mm 封装
 
这些模块所支持的部分应用包括非车载充电和电动汽车快速充电系统、铁路和牵引应用、工业测试设备和工业电机驱动器。Wolfspeed BM 系列产品使用简便,可通过碳化硅技术升级,拥有许多优势,包括提高功率效率、功率密度、开关频率以及整体改善稳健性和可靠性。
 
Wolfspeed XM3 和 HM3 平台
 
Wolfspeed WolfPACK 和 BM 系列产品提供行业标准封装,而 XM3 和 HM3 模块则包含在更丰富的 Wolfspeed 产品组合中,帮助设计者充分利用外壳定制带来的优势。
 
XM3 半桥模块(俯视图,如图 4 所示)的封装比 62 mm 行业标准尺寸小 50%,重量也轻 50%。其它特点还包括:导通和开关损耗优化、低电感母线互连、集成温度检测、内置电压检测,以及具有增强功率循环能力的高可靠性电源基板。外壳采用模块化、可扩展和可重新配置,电感低至 6.5 nH。
 
▲ 图 4:Wolfspeed XM3 半桥模块,俯视图
 
与类似的功率模块(例如具有相似额定电压和电流(1200 V 时高达 450 A)的 SemiTrans 3 或 EconoDual)相比,XM3 模块为设计者提供的选项不仅尺寸小 50%,而且还减少 50% 的寄生电感,还能降低整体开关损耗。此外,相比传统的 Si 逆变器,基于 XM3 的逆变器(例如 300 kW CRD300DA12E-XM3 和 600 kW CRD600DA12E-XM3 器件)在重量(减少多达 50%)和体积功率密度(高达 20 倍)方面均有显著改进。
 
HM3 系列产品可提供 Wolfspeed 目前功率密度最高的功率模块。HM3 采用轻质碳化硅铝(AlSiC)基板、支持高电流(< 800 A)和高频低电感的紧凑型尺寸,可提供经 SiC 技术优化的尺寸实现前所未有的功率密度。该器件拥有两种电压选项,包括 481 A(带肖特基二极管)和 765 A 的 1200 V 半桥,以及 380 A(带肖特基二极管)和 650 A 的 1700 V 半桥。
 
HM3 模块的外壳(如图 5 所示)包含与碳化硅铝基板和氮化硅基板兼容的62 mm螺栓,以实现强大的热机械性能,并采用 4.9 nH 电感的端子设计,适用于高功率叠层母线连接。接口引脚的爬电距离和电气间隙可支持 1.7 kV 器件。在内部,该器件具有栅极和开尔文电阻网络,每个开关位置可并联 12 个器件。此外,该模块还配备栅极驱动器参考设计 CGD1700HB3P-HM3,用于快速启动,实现基本保护和检测。为进一步降低模块的工作温度,可采用液冷冷板散热片,例如 Wieland Microcool 的 CP3009-XP。
 

▲ 图 5:Wolfspeed HM3 和参考栅极驱动器(左)以及 HM3 模块(右)封装
 
其他优势和资源可为设计人员提供信心,加快产品面市时间
 
Wolfspeed 功率模块经过优化设计,能够提供同类更优 SiC 性能的封装,满足每位客户的特殊系统要求。此外,我们提供两类不同产品,服务客户群体的不同价值主张:包括行业标准封装和优化封装。
 
行业标准尺寸是经过精心设计的尺寸/封装,已针对 SiC 进行内部优化,为采用 Si 基或 SiC 基器件平台的客户提供封装层面直接替代产品。另一方面,Wolfspeed 开发的优化的封装,帮助采用 SiC 技术设计的模块提供增强功能。
 
Wolfspeed 已发布适用于每个封装平台的评估栅极驱动板,帮助设计者提高实验室效率。此外,Wolfspeed 还提供其他评估套件和参考设计(如逆变器、电源转换器、充电机等),以加快产品上市时间。
 
参考设计均带有应用手册、用户指南、设计文件,让设计者可以打造出具有出色功率密度、性能和效率的稳固可靠系统。对此,值得注意的是:Wolfspeed 已与经过专门测试并集成至评估和参考设计中的品牌合作,为设计者提供完整的图片和记录数据,用于所有开发阶段的参考。
 
最后,Wolfspeed SpeedFit 2.0 设计仿真软件通过帮助选择合适的 Wolfspeed 产品,进一步改进了 SiC 设计流程。它可用于运行仿真,轻松预测并最大限度减少导通和开关损耗,快速比较不同的器件和热配置,并生成电路框图和总结报告,以帮助您将整个项目整合在一起。
 
涵盖所有需求的产品组合
 
近年来,Wolfspeed 的模块产品组合已实现一系列重大升级。如今,它已涵盖整个功率范围,从低功率到高功率,应有尽有。由于所有此类模块均采用 Wolfspeed 行业领先的 SiC 技术,因此,设计者既能升级现有模块,享受 SiC 解决方案的优势,也可以启动新设计,使用更小、更轻、功能更强的子系统组件。
 
事实上,如今的系统设计人员能够充分利用这一产品组合的主要优势,不仅拥有横跨整体功率范围的选项,还能获取 Wolfspeed 的参考设计、配套硬件以及仿真和 CAD 程序。此外,Wolfspeed 还提供专门的 SiC 系统和电路设计专家以及独家的生态系统合作关系,为设计人员提供所需的支持和灵活性,消除风险,并帮助缩短产品面市时间。
 
英文原稿,敬请访问:
 
https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/how-wolfspeeds-module-portfolio-serves-the-entire-power-continuum/
 
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