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Wolfspeed 模組產品組合如何服務於整個功率範圍

Jun 01, 2022
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Article

相對於傳統矽(Si)元件,碳化矽(SiC)技術的性能得到全面提升,包括:更低功率損耗、更快開關速度、更高工作溫度、更高功率密度、更高整體效率。Wolfspeed 升級後的功率模組產品組合可通過行業標準封裝實現以下優勢:配置可服務於多種應用,同時通過行業標準封裝和高功率模組中的封裝優化,在與低功率、基於分立方案的應用之間架起了橋樑,涵蓋整個功率範圍。本文旨在展示設計人員如何在降低成本的同時提高系統效率,更重要的是,如何大幅提高系統的整體可靠性。 

Wolfspeed 產品線簡要概述 

Wolfspeed 產品組合涵蓋大量需要低至高功率解決方案的許多行業和應用,包括電動汽車(EV)、工業電源、電網基礎設施、太陽能和可再生能源、測試設備、不斷電供應系統(UPS)和其它高功率系統。其中包括 1200 V 和 1700 V 的 基於SiC 的不同封裝模組,具有多種 MOSFET 拓撲結構,提供肖特基和 MOSFET 體二極體反並聯選項,可提前進行模擬以加快上市時間。圖 1 所示為該產品線以及部分功率範圍和應用。 

Module TypeWolfspeed WolfPACK™Leadframe with Baseplate
PlatformFM/GM
Industry Standard
BM
Industry Standard
XM
Wolfspeed Standard
HM
Wolfspeed Standard
MOSFET GenGen 3Gen 2/Gen 3Gen 3Gen 3
Voltage1.2k1.27/1.7kV
Current<300A<600A<500A<800A
Qual LevelIndustrialIndustrial/Harsh EnvironmentIndustrialIndustrial
Recommended ApplicationsPV, Energy Storage, Low Cost Industrial Apps, Off Board ChargerRail Aux Pwr, Broad IndustrialHeavy Equipment/Performance Drive Train Inverter, UPS, Off Board ChargerTest Equipment, Fast Charging Off Board Charger

圖 1:Wolfspeed 模塊產品組合

Wolfspeed WolfPACK™ 系列功率模組採用彈簧承載的無基板設計(包含壓接式引腳),適用于中等功率應用,而 BM-、XM- 和 HM- 基板模組可在更高的電流範圍內運行。無論如何應用,所有模組都旨在實現相同的目標,即最大限度地提高功率密度、簡化佈局/組裝、實現可擴展的系統和平台、最大限度降低人工和系統元件成本,同時提供最高級別的可靠性。 

Wolfspeed WolfPACK™ SiC 功率模組 

全新的 Wolfspeed WolfPACK™ 系列產品(FM3/GM3)可在無基板、壓接式互連外殼中提供動力。該產品系列提供兩種最常見的 MOSFET 配置(目前為六管集成和半橋),使眾多功率級能夠受益於 SiC 的優勢。這些模組還提供功率密度較高、重量較輕的系統元件。總體而言,Wolfspeed WolfPACK™ 模組有助於縮小整體尺寸,減少複雜性,同時降低系統和維護成本。Wolfspeed WolfPACK™ 模組為設計者提供可靠的中等功率範圍解決方案,可實現適當擴展,在必要時進行無縫式系統升級。 

Wolfspeed WolfPACK™ 外殼使用金屬安裝片作為彈力介面,配備散熱片,用於優化熱管理性能,在熱結處提供均勻壓力。仔細觀察,其陶瓷直接敷銅基板可增強散熱片電氣隔離,並且實現較低熱阻,從而以更高載流量實現更好的熱性能。Wolfspeed WolfPACK™ 還配備了壓接引腳,由於在插入有鍍層的 PCB 時受到緊密壓縮,因此可提供高可靠性和出色的電氣和機械特性。通過與內部 MOSFET 排列相對應的引腳陣列,設計者可通過行業標準封裝尺寸實現簡單的單向安裝。如果應用需要多個模組,內部 PCB 安裝方法還提供將多個模組連接在一起的選項,以滿足高功率需求。圖 2 所示為 FM3 和 GM3 WolfPACK™ 模組。 

圖 2:Wolfspeed WolfPACK™ FM3(頂部)和 GM3(底部)外殼

Wolfspeed 的 BM 行業標準 62 mm 尺寸 

Wolfspeed 的行業標準 62 mm SiC 模組可實現業界最為豐富的高功率解決方案組合,專為滿足多種要求而設計,支援前所未有的系統功率和效率。設計者目前可將 62 mm IGBT 替換為採用 SiC 技術的 Wolfspeed 62 mm BM 模組,説明降低冷卻要求、系統成本、功率損耗和系統電感,同時優化電壓利用率。 

BM 62 mm 系列模組採用 1.2 kV 和 1.7 kV 半橋拓撲結構,可提供高達530 A的電流。這些模組的材料可針對不同的運行條件進行選擇,例如,Wolfspeed 提供 符合THB-80 標準的外殼材料選項,提高惡劣環境下應用的穩健性。 

BM 系列模組(見圖 3)採用螺絲端子,利用疊層母線或 PCB 和銅基板實現高功率系統的安全連接,最大限度地提高導熱性和機械強度。此外,螺絲端子還具有 5 kV 隔離的爬電距離和電氣間隙,可支援 1.7 kV 有源元件。所有器件均採用行業標準的 62 mm 封裝,可輕鬆實現 200 kW+ 的系統升級和直接替換。 

圖 3:Wolfspeed BM 系列模塊採用 62 mm 封裝

這些模組所支援的部分應用包括非車載充電和電動汽車快速充電系統、鐵路和牽引應用、工業測試設備和工業電機驅動器。Wolfspeed 的 BM 系列產品使用簡便,可通過碳化矽技術升級,擁有許多優勢,包括提高功率效率、功率密度、開關頻率以及整體改善穩健性和可靠性。 

Wolfspeed 的 XM3 和 HM3 平台 

Wolfspeed WolfPACK 和 BM 系列產品提供行業標準封裝,而 XM3 和 HM3 模組則包含在更豐富的 Wolfspeed 產品組合中,説明設計者充分利用外殼定制帶來的優勢。 

XM3 半橋模組(俯視圖,如圖 4 所示)的封裝比 62 mm 行業標準尺寸小 50%,重量也輕 50%。其它特點還包括:導通和開關損耗優化、低電感母線互連、集成溫度檢測、內置電壓檢測,以及具有增強功率迴圈能力的高可靠性電源基板。外殼採用模組化、可擴展和可重新配置,電感低至 6.5 nH。 

圖 4:Wolfspeed XM3 半橋模塊,俯視圖

與類似的功率模組(例如具有相似額定電壓和電流(1200 V 時高達 450 A)的 SemiTrans 3 或 EconoDual)相比,XM3 模組為設計者提供的選項不僅尺寸小 50%,而且還減少 50% 的寄生電感,還能降低整體開關損耗。此外,相比傳統的 Si 逆變器,基於 XM3 的逆變器(例如 300 kW (CRD300DA12E-XM3) 和 600 kW (CRD600DA12E-XM3) 元件)在重量(減少多達 50%)和體積功率密度(高達20 倍)方面均有顯著改進。 

HM3 系列產品可提供 Wolfspeed 目前功率密度最高的功率模組。HM3 採用輕質碳化矽鋁(AlSiC)基板、支持高電流(< 800 A)和高頻低電感的緊湊型尺寸,可提供經 SiC 技術優化的尺寸實現前所未有的功率密度。該器件擁有兩種電壓選項,包括 481 A(帶肖特基二極體)和 765 A 的 1200 V 半橋,以及 380 A(帶肖特基二極體)和 650 A 的 1700 V 半橋。 

HM3 模組的外殼(如圖 5 所示)包含與碳化矽鋁基板和氮化矽基板相容的62 mm螺栓,以實現強大的熱機械性能,並採用 4.9 nH 電感的端子設計,適用于高功率疊層母線連接。介面引腳的爬電距離和電氣間隙可支援 1.7 kV 元件。在內部,該元件具有柵極和開爾文電阻網路,每個開關位置可並聯 12 個元件。此外,該模組還配備柵極驅動器參考設計 CGD1700HB3P-HM3,用於快速啟動,實現基本保護和檢測。為進一步降低模組的工作溫度,可採用液冷冷板散熱片,例如 Wieland Microcool 的 CP3009-XP。 

其他優勢和資源可為設計者提供信心,加快產品上市時間 

Wolfspeed 功率模組經過優化設計,能夠提供同類最佳 SiC 性能的封裝,滿足每位元客戶的特殊系統要求。此外,我們提供兩類不同產品,服務客戶群體的不同價值主張:包括行業標準封裝和優化封裝。 

行業標準尺寸是經過精心設計的尺寸/封裝,已針對 SiC 進行內部優化,為採用 Si 基或 SiC 基元件平台的客戶提供封裝層面直接替代產品。另一方面,Wolfspeed 開發的優化的封裝,幫助採用 SiC 技術設計的模組提供增強功能。 

Wolfspeed 已發佈適用於每個封裝平台的評估柵極驅動板,幫助設計者提高實驗室效率。此外,Wolfspeed 還提供其他評估套件和參考設計(如逆變器、電源轉換器、充電機等),以加快產品上市時間。 

參考設計均帶有應用手冊、使用者指南、設計檔,讓設計者可以打造出具有出色功率密度、性能和效率的穩固可靠系統。對此,值得注意的是:Wolfspeed 已與經過專門測試並集成至評估和參考設計中的品牌合作,為設計者提供完整的圖片和記錄資料,用於所有開發階段的參考。 

最後,Wolfspeed SpeedFit 2.0 設計模擬軟體通過説明選擇合適的 Wolfspeed 產品,進一步改進了碳化矽設計流程。它可用於運行模擬,輕鬆預測並最大限度減少導通和開關損耗,快速比較不同的元件和熱配置,並生成電路框圖和總結報告,以幫助您將整個項目整合在一起。 

涵蓋所有需求的產品組合 

近年來,Wolfspeed 的模組產品組合已實現一系列重大升級。如今,它已涵蓋整個功率範圍,從低功率到高功率,應有盡有。由於所有此類別模組均採用 Wolfspeed 行業領先的 SiC 技術,因此,設計者既能升級現有模組,享受 SiC 解決方案的優勢,也可以啟動新設計,使用更小、更輕、功能更強的子系統組件。 

事實上,如今的系統設計者能夠充分利用這一產品組合的主要優勢,不僅擁有橫跨整體功率範圍的選項,還能獲取 Wolfspeed 的參考設計、配套硬體以及模擬和 CAD 程式。此外,WolfSpeed 還提供專門的 SiC 系統和電路設計專家以及獨家的生態系統合作關係,為設計者提供所需的支援和靈活性,消除風險,並幫助縮短上市時間。 

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