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Power Modules

SiC 器件如何增加功率电路的安培容量?

Dr. Daniel Martin
Jan 11, 2021
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“安培容量”是指功率器件的电流载流量,通常是限制功率设计性能的最大因素之一。一颗在给定热管理要求下能够良好运行的元件,对于设计工程师十分重要。

功率器件能够根据开关频率、器件损耗机制以及从芯片结点到冷却介质的热管理来提供输出电流。需要根据元件安培容量的相关参数来选择部件。根据设计和元件规格,市场上可供选择的产品选项屈指可数。因此,功率系统设计师要想模拟并挑选最接近安培数的器件,以满足系统要求,同时又能优化性能与系统材料清单 (BOM),他们的产品选择就十分有限。

与传统 Si 基产品相比,宽禁带 (WBG) 半导体器件能提供相对更高的安培容量。这能够显著地提高高功率设计中的功率密度,正在成为此类电路设计师的首选。这类器件的导通损耗和开关损耗较低,从而在提供高安培容量方面表现出众。碳化硅 (SiC) 是一种得到广泛接受的宽禁带半导体材料,凭借其以更小体积、更高效率处理更高功率的能力,能够很好地满足设计人员的要求。了解 SiC 组件在您设计中的表现,请使用我们的 SpeedFit 模拟器。.

Wolfspeed WolfPACK TM 是一款全 SiC 模块,便于在单个封装内集成电路拓扑,从而以标准尺寸为功率电路提供更高的安培容量。该模块体积紧凑,易于安装启用,在相同的配置条件下,与多种分立器件相比,其在某些系统设计中的性能更为出色。这有赖于该模块在单个基底之内整合了线路连接和封装,因此无需进一步嵌入绝缘层,还能避免附加的寄生效应。您可以在 Wolfspeed WolfPACK 系列页面上了解关于 Wolfspeed WolfPACK 及其性能和其他规格等更多信息。

图 1: Wolfspeed WolfPACK 是 Wolfspeed 最新的功率模块,能够提供业界领先的 SiC 解决方案,采用众所周知且耐用的工业封装,易于安装应用。

现在让我们来看下一些条件,例如温度、开关频率、散热性能,以及如何影响总体安培容量和功率系统性能。

温度

模块的额定直流电流是基于封装的热阻、系统热管理方式以及最大额定结点温度下封装体内的电阻(Rdson) 。随着功率器件温度的升高,由于温度与 Rdson的关系,器件会提供更低的输出电流。SiC 功率器件的导通损耗更低,且不存在固有的电势压降(目前市面上相同尺寸的传统元件存在此现象),因此 Wolfspeed WolfPACK 模块能够提供同类更优的性能。

开关频率

开关频率,即器件在一秒内开关的次数,通常会增加动态损耗,减少输出电流平均承载能力。提高系统的开关频率通常是理想的方法,因为这样有助于采用更小的无源器件,例如电容器、滤波器、电感器等。SiC 器件具有动态损耗较低的特点,这使得电路设计人员能够提高可用的最大开关频率,同时维持在较高的母线电压水平上,实现显著高于其他 Si 基产品的功率密度参数。

散热

显著影响器件安培容量一大主要因素便是散热。正如之前所述,SiC 器件的损耗更小,可在单个陶瓷基片上进行安装,到散热器无须进行额外的电压隔离。这在最大程度上减少了到周围冷却环境的热阻,从而为设计师带来更简单的系统安装应用方式,并最小化热管理成本和所需尺寸。

图 2: 图片重点展现了 Wolfspeed WolfPACK 模块如何仅使用两个螺栓安装复杂的拓扑结构,安全地使用压接引脚安装至 PCB,以及如何给冷却板提供陶瓷绝缘层。

安培容量

综合上述所有因素,将决定模块的输出安培容量。由于 SiC 功率器件的 Rdson 和动态损耗更低,所以与传统的半导体技术相比,其在开关应用中的有效值输出电流更高。此外,耦合在绝缘封装中能够将热阻减小至最低水平,因而相同体积下的可用电流安培数也会再度提高。再结合 Wolfspeed 功率模块中 SiC 器件的高速受控开关,可使得传递到负载的 SiC 单位面积内的有效值电流达到最高数值。每个模块中这类性能提升,将体现在更多的有效值电流、尽可能低的结温和/或更高的系统效率等形式。

结论

如大家所见,更高的安培容量在确保面向中功率应用的模块功率性能方面发挥着重要作用。此类应用包括但不限于电动汽车充电、铁路牵引、工业自动化、电机驱动控制、工业电源以及可再生能源设计(例如太阳能逆变器)。这是由于较高的安培容量能够实现灵活、可扩展的模块,为从单千瓦到数百千瓦的功率设计提供解决方案。

Wolfspeed WolfPACK 这样的功率模块产品提供了最大化安培容量的整体方法,从而帮助降低成本、最小化设计复杂性以及提高总体系统性能。与此同时,还能够简化功率产品的原型开发和制造。

Wolfspeed WolfPACK™ 碳化硅模塊

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Gen 3 MOS
150 °C
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Half Bridge (AlN substrate)
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FM3
Half-Bridge
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Gen 3 MOS
150 °C
62.8 mm x 33.8 mm
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Gen 3 MOS
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62.8 mm x 33.8 mm
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Six-pack (three-phase)
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Gen 3 MOS
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