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EAB450M12XM3 简介:Wolfspeed 首款车规级碳化硅功率模块

May 18, 2022
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EAB450M12XM3 简介:Wolfspeed 首款车规级碳化硅功率模块

如今,许多市场都受益于碳化硅(SiC)技术所带来的优势,尤其是汽车行业。相对于传统硅(Si)组件,SiC 的性能更高,使系统的开关速度、工作温度、功率密度、整体效率更高,同时功耗更低。Wolfspeed SiC 器件产品组合涵盖广泛的功率水平和应用场景,从用于低功率的分立器件产品,到行业标准尺寸以及优化尺寸的高功率模块产品,实现了功率连续性。EAB450M12XM3 是此大功率模块器件产品系列的最新成员(见下方图 1)。

Product shot of Wolfspeed's XM3 Half-bridge SiC power module package
图 1:满足车规要求的 EAB450M12XM3 1200 V 450A 碳化硅半桥模块

Wolfspeed 功率模块产品线(如图 2 所示)包括 WolfPACK 模块,这些模块提供符合行业标准的无基板式封装,工作电压和电流分别高达 1.2 kV 和 200 A。更高功率的模块采用优化程度更高的封装,适用于要求苛刻的应用场景。该组合中的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。

Line up of Wolfspeed module products: FM3, GM3, Industrial, THB-80 std., XM3 Flat, and HM3.
Module Type
Wolfpack WolfPACK™
Leadframe with Baseplate
Platform
FM/GM
Industry Standard
BM
Industry Standard
XM
Wolfspeed Standard
HM
Wolfspeed Standard
MOSFET Gen
Gen 3
Gen 2/Gen 3
Gen 3
Gen 3
Voltage
1.2kV
1.2 kV/1.7kV
1.2 kV/1.7kV
1.2 kV/1.7kV
Current
<200A
<600A
<500A
<800A
Qual Level
Industrial
Industrial/Harsh Environment
Industrial / Automotive
Industrial
Recommended Applications
PV, Energy Storage, Low Cost Industrial Apps, Off-Board Charger
Rail Aux Power, Broad Industrial
Heavy Equipment/Performance Drivetrain Inverter, UPS, Off-Board Chargers
Test Equipment, Fast Charging Off-Board Chargers

图 2:Wolfspeed 功率模块产品组合

XM3 系列

XM3 半桥模块充分利用 SiC 的优势,同时保持简单、可扩展特性且具有成本效益的尺寸,其重量和体积仅为行业标准 62 毫米对等产品的一半。这些 XM3 模块可最大限度提高功率密度,同时尽可能降低回路电感和开关损耗。此外,它们还配备低电感母线互连、集成式温度传感器、配置电压采样引脚,以及具有增强功率循环能力的高可靠性功率基板。此封装可实现 175 ˚C 最高结温,高可靠性氮化硅(SiN4)基板确保了在极端条件下的机械强度。封装为易模组化和可扩展性而设计,寄生电感低至6.5 nH(与类似模块相比,最多可将电感减少 50%)。因此,XM3 非常适合用于各种苛刻的恶劣条件,如牵引驱动器、直流快速充电机和汽车测试设备等汽车应用场景。与 SemiTrans 3 或 EconoDual 等类似功率模块相比,内置领先SiC技术的XM3封装可以使系统设计更加紧凑,而且两种功率模块具有相似的额定电压和电流(在 1,200 V 时高达 450 A)。图 3 显示了解封状态下 XM3 半桥模块的俯视图。

Wolfspeed half-bridge XM3 power module
图 3:Wolfspeed XM3 半桥模块,俯视图

EAB450M12XM3

表 1 列出了 EAB450M12XM3 模块的最大参数(摘自数据表)。

Symbol
Parameter
Min.
Typ.
Max.
Unit
VDSmax
Drain-Source Voltage
1200
V
VGSmax
Gate-Source Voltage, Maximum Value
-8
+19
V
VGSop
Gate-Source Voltage, Recommended Operating Value
-4
+15
V
IDS
DC Continuous Drain Current, TC = 25 °C
450
A
IDS
DC Continuous Drain Current, TC = 90 °C
409
A
ISDBD
DC Source-Drain Current (Body Diode), TC = 25 °C
225
A
IDS pulsed
Maximum Pulsed Drain-Source Current
900
A
TVJ op
Maximum Virtual Junction Temperature under Switching Conditions
-40
175
°C
表 1:EAB450M12XM3 最大参数

亮点包括 1200 VDS max 450 A 连续漏极电流和 175 ˚C 虚拟结温(在开关期间),这些特性都已经过设计验证。下面的表 2 中列出了 MOSFET 特性(每个桥臂)的摘要。

Symbol
Parameter
Min.
Typ.
Max.
Unit
VBR DSS
Drain-Source Breakdown Voltage
1200
V
VGS th
Gate Threshold Voltage
1.8
2.5
3.6
V
IDSS
Zero Gate Voltage Drain Current
5
500
μA
IGSS
Gate-Source Leakage Current
0.05
1.3
μA
RDS on
Drain-Source On-State Resistance (MOSFET Only), TJ = 25 °C
2.6
3.7
RDS on
Drain-Source On-State Resistance (MOSFET Only), TJ = 175 °C
4.6
gfs
Transconductance, TJ = 25 °C
355
S
gfs
Transconductance, TJ = 175 °C
360
S
EOn
Turn-On Switching Energy, Tj = 25°C
Tj = 125°C
Tj = 175°C
11.0
11.7
13.0
mJ
EOff
Turn-Off Switching Energy, Tj = 25°C
Tj = 125°C
Tj = 175°C
10.1
11.3
12.1
mJ
RG int
Internal Gate Resistance
2.5
Ω
Ciss
Input Capacitance
38
nF
Coss
Output Capacitance
1.5
nF
Crss
Reverse Transfer Capacitance
90
pF
QGS
Gate to Source Charge
355
nC
QGD
Gate to Drain Charge
500
nC
QG
Total Gate Charge
1300
nC
RTH JC
FET Thermal Resistance, Junction to Case
0.110
0.145
°C/W
表 2:EAB450M12XM3 MOSFET 特性

上表中值得注意的参数包括 25 ˚C 条件下的极低 RDS(on) 值 2.6 mΩ 和低结壳热阻值 0.110 ˚C/W。图 4 展示了 MOSFET 的开关损耗。请注意,即使结温较高,开关损耗也相当恒定。

Line graphs of EAB450M12XM3 MOSFET Switching Energy
图 4:EAB450M12XM3 MOSFET 开关损耗

MOSFET 的体二极管的正向电压值为 4.7 V,恢复时间值为 52 ns(有关反向恢复性能及其低损耗的图表,请参见图 5)。这一快速恢复时间和低恢复损耗特性大幅提高了 MOSFET 在开关期间的性能。

Line chart with EAB450M12XM3 Reverse-Recovery Performance
图 5:EAB450M12XM3 反向恢复性能

内置 NTC 温度传感器的额定电阻为 4.7 kΩ,容差为 ±1% (ΔR/R),能够提供高精度的温度保护功能。热监控功能对于实现高可靠性至关重要,因此,通过这种实时反馈功能,可以帮助设计人员优化控制技术。

此外,专用开尔文漏极引脚可实现用于栅极驱动器过流保护的直接电压采样,在高速开关时,这大幅减少了由杂散电感造成的额外电压引起的误差。

原理、引脚和性能图

图 6 显示了 EAB450M12XM3 的内部接线。

Diagrams of EAB450M12XM3 internal wiring/schematic and pinout
图 6:EAB450M12XM3 Reverse-Recovery Performance内部接线/示意图和引脚

图 7 和图 8 显示了 EAB450M12XM3 的一些相关性能特征。图 7 所示的输出特性展示了在较高结温条件下运行时 VDS 和 RDS(on) 的增加情况,并显示了 Wolfspeed 第三代 SiC MOSFET 技术提供的低 RDS(on) 温度系数。图 8 显示了瞬态热阻和正向偏置安全工作区。如应用说明 CPWR-AN29 中所示,必须通过适当的安装和散热来管理该模块的温度。CRD300DA12E-XM3参考设计包括3个EAB450M12XM3模块,CRD600DA12E-XM3包括6个EAB450M12XM3模块,这些参考设计展示了一个完整的优化组合,其中包括模块、散热装置、母线、栅极驱动器、电压/电流传感器和控制器。可以在模块的数据表中查看更多性能和时序图。

Line graph of output characteristics (left) and RDS(on) (right) for various drain-current and junction temperatures
图 7:各种漏极电流和结温所产生的特性(左)和 RDS(on)(右)
Line graph of MOSFET junction-case thermal impedance (left) and forward-bias safe operating area (right)
图 8:MOSFET 结壳热阻(左)和正向偏置安全工作区(右)

图 9 显示了逆变器应用场景的载流量(输出电流)和开关频率之间的关系。

Line graph of output Current Capability vs. Switching Frequency (Inverter Application)
图 9. 输出电流能力与开关频率(逆变器应用)

参考设计和支持工具

功率密度为 32 kW/L [CRD300DA12E-XM3](图 10)的 CRD300DA12E-XM3 300 kW 高性能三相逆变器十分有用,可帮助您开始实施适用于各种应用场景的三相配置。它具有 XM3 系列模块的诸多优点,包括紧凑尺寸/轻量、更高功率密度、高效率、超低损耗和低散热设计要求,所有这些特性都降低了系统级成本。该设计的直流母线电压为 800 V(最大 900 V),电流为 360 A。此外,还包括一个 Wieland MicroCool CP3012-XP 冷板(也如图 10 所示),用于热管理(并降低结热阻),该冷板专门针对 SiC 的高热通量进行了优化。

3-Phase inverter reference design (right) and Wieland MicroCool cold plate (left)
图 10:CRD300DA12E-XM3 三相 300 kW 参考设计“300 kW 高性能三相逆变器参考设计”,功率密度为 32 kW/L [CRD300DA12E-XM3](左)和 Wieland MicroCool 冷板(右)

KIT-CRD-CIL12N-XM3(图 11)是一个评估平台,使设计人员能够在发生电感负载开关事件时准确测量 Wolfspeed XM3 功率模块的电压和电流波形。这使得可以在精确的测试条件下计算开关损耗能量,以动态地评估模块,并便于进行模块内比较操作。它对应的栅极驱动器(也显示在图 11 中)是直接安装的双通道隔离栅极驱动器,已专门针对 XM3 功率模块进行了优化。

Evaluation platform (left) and gate driver (right)
图 11. 用于 MX3 半桥模块(左)和 CDG12HBXMP XM3 栅极驱动器的 KIT-CRD-CIL12N-XM3 评估平台

此外,SpeedFit 2.0 设计模拟器有助于加速设计过程,其模拟结果基于计算的损耗、估计的结温和实验室数据,适用于从简单降压/升压转换器到完全双向图腾柱 PFC 设计的各种常见拓扑结构。这有助于验证满足应用场景的模块和器件,同时为不同的器件和配置提供真正的比较性能。

总结

概括而言,符合汽车标准的 EAB450M12XM3 半桥全 SiC 模块中包括具有优化的散热设计的高功率密度封装,可满足各种应用场景(如电机和牵引驱动器、车辆快速充电机和汽车测试设备)的要求。设计人员能在一个易于使用的封装中实现 SiC 的各种优势(高开关频率、低损耗、更高功率和额定温度以及更佳效率和可靠性)。该封装提供的端子设计,可以直接连接母排,而无需折弯或套管,实现了简单的低电感设计。其它与 EAB450M12XM3 相配合的车规级元器件可以通过新设立的 Power Applications Forum 查询。此外,还提供一些参考设计、应用说明和设计资源(如模拟器),以帮助加速开发流程并为设计人员建立信心。敬请访问 Wolfspeed 网站,了解更多 XM3 功率模块、访问参考设计有关的信息。

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