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Wolfspeed 首款車規級碳化矽功率模組EAB450M12XM3 簡介

May 18, 2022
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Article

如今,許多市場都受益於碳化矽(SiC)技術所帶來的優勢,尤其是汽車行業。相對于傳統矽(Si)元件,SiC 的性能更高,使系統的開關速度、工作溫度、功率密度、整體效率更高,同時功耗更低。Wolfspeed SiC 元件產品組合涵蓋廣泛的功率水準和應用場景,從用於低功率的分立元件產品,到行業標準尺寸以及優化尺寸的高功率模組產品,實現了功率連續性。EAB450M12XM3 是此大功率模組器件產品系列的最新成員(見下方圖 1)。

Product shot of Wolfspeed's XM3 Half-bridge SiC power module package

Wolfspeed 功率模組產品線(如圖 2 所示)包括 WolfPACK 模組,這些模組提供符合行業標準的無基板式封裝,工作電壓和電流分別高達 1.2 kV 和 200 A。更高功率的模組採用優化程度更高的封裝,適用於要求苛刻的應用場景。該組合中的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臺、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。

A long line of close-up product product photography. From the left to the right, in order, is the Wolfspeed WOLFpack FM3 module, the WOLFpack GM3 module, a BM2 module used for industrial applications, a BM3 THB-80 std, module, an XM3 flat module, and a HM3 module.
Module Type
Wolfspeed 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
1.2 kV
1.2 kV/1.7 kV
1.2 kV/1.7 kV
1.2 kV/1.7 kV
Current
<200 A
<600 A
<500 A
<800 A
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 Charger
Test Equipment, Fast Charging Off-Board Chargers
Figure 2: Wolfspeed power module portfolio

XM3 系列

XM3 半橋模組充分利用 SiC 的優勢,同時保持簡單、可擴展特性且具有成本效益的尺寸,其重量和體積僅為行業標準 62 毫米對等產品的一半。這些 XM3 模組可最大限度提高功率密度,同時盡可能降低回路電感和開關損耗。此外,它們還配備低電感母線互連、集成式溫度感測器、配置電壓採樣引腳,以及具有增強功率迴圈能力的高可靠性功率基板。此封裝可實現 175 ˚C 最高結溫,高可靠性氮化矽(SiN4)基板確保了在極端條件下的機械強度。封裝為易模組化和可擴展性而設計,寄生電感低至6.5 nH(與類似模組相比,最多可將電感減少 50%)。因此,XM3 非常適合用於各種苛刻的惡劣條件,如牽引驅動器、直流快速充電機和汽車測試設備等汽車應用場景。與 SemiTrans 3 或 EconoDual 等類似功率模組相比,內置領先SiC技術的XM3封裝可以使系統設計更加緊湊,而且兩種功率模組具有相似的額定電壓和電流(在 1,200 V 時高達 450 A)。圖 3 顯示瞭解封狀態下 XM3 半橋模組的俯視圖。

An illustrated image of the XM3 module, showing how it looks when viewed from the top.

EAB450M12XM3

表 1 列出了 EAB450M12XM3 模組的最大參數(摘自資料表)。

Symbol
Parameter
Min.
Typ.
Max.
Unit
VDS max
Drain-Source Voltage
1200
V
VGS max

Gate-Source Voltage, Maximum Value
-8
+19
V
VGS op
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
ISD BD
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

亮點包括 1200 VDS max 450 A 連續漏極電流和 175 ˚C 虛擬結溫(在開關期間),這些特性都已經過設計驗證。下面的表 2 中列出了 MOSFET 特性(每個橋臂)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

上表中值得注意的參數包括 25 ˚C 條件下的極低 RDS(on) 值 2.6 mΩ 和低結殼熱阻值 0.110 ˚C/W。圖 4 展示了 MOSFET 的開關損耗。請注意,即使結溫較高,開關損耗也相當恒定。

Two line graphs, side by side, used to explain the Wolfspeed EAB450M12XM3's switching energy.

MOSFET 的體二極體的正向電壓值為 4.7 V,恢復時間值為 52 ns(有關反向恢復性能及其低損耗的圖表,請參見圖 5)。這一快速恢復時間和低恢復損耗特性大幅提高了 MOSFET 在開關期間的性能。

Line graph showing the reverse-recovery performance values for the EAB450M12XM3 module.

內置 NTC 溫度感測器的額定電阻為 4.7 kΩ,容差為 ±1% (ΔR/R),能夠提供高精度的溫度保護功能。熱監控功能對於實現高可靠性至關重要,因此,通過這種即時回饋功能,可以幫助設計人員優化控制技術。

此外,專用開爾文漏極引腳可實現用於柵極驅動器過流保護的直接電壓採樣,在高速開關時,這大幅減少了由雜散電感造成的額外電壓引起的誤差。

原理、引腳和性能圖

圖 6 顯示了 EAB450M12XM3 的內部接線。

A three part illustration showing an EAB450M12XM3's internet wiring schematic. On the left is a circuit diagram. The middle is a line drawing of an XM3 module with pin number locations enumerated on it. The right is a table that tells you which number accounts for what pin designation.

圖 7 和圖 8 顯示了 EAB450M12XM3 的一些相關性能特徵。圖 7 所示的輸出特性展示了在較高結溫條件下運行時 VDS 和 RDS(on) 的增加情況,並顯示了 Wolfspeed 第三代 SiC MOSFET 技術提供的低 RDS(on) 溫度係數。圖 8 顯示了瞬態熱阻和正向偏置安全工作區。如應用說明 CPWR-AN29 中所示,必須通過適當的安裝和散熱來管理該模組的溫度。CRD300DA12E-XM3參考設計包括3個EAB450M12XM3模組,CRD600DA12E-XM3包括6個EAB450M12XM3模組,這些參考設計展示了一個完整的優化組合,其中包括模組、散熱裝置、母線、柵極驅動器、電壓/電流感測器和控制器。可以在模組的資料表中查看更多性能和時序圖。圖 9 顯示了逆變器應用場景的載流量(輸出電流)和開關頻率之間的關係。

Two line graphs side by side, illustrating how our SiC MOSFET technology handles higher junction temperatures.
Two line graphs, side by side, that show the bias safe operating area and the transient thermal impedance.
Table showing typical use of low, medium and high on-board chargers

參考設計和支援工具

功率密度為 32 kW/L [CRD300DA12E-XM3](圖 10)的 CRD300DA12E-XM3 300 kW 高性能三相逆變器十分有用,可幫助您開始實施適用于各種應用場景的三相配置。它具有 XM3 系列模組的諸多優點,包括緊湊尺寸/輕量、更高功率密度、高效率、超低損耗和低散熱設計要求,所有這些特性都降低了系統級成本。該設計的直流母線電壓為 800 V(最大 900 V),電流為 360 A。此外,還包括一個 Wieland MicroCool CP3012-XP 冷板(也如圖 10 所示),用於熱管理(並降低結熱阻),該冷板專門針對 SiC 的高熱通量進行了優化。

Two close up product photos shot side by side. The left is a Wolfspeed reference design, while the right is a picture of a Wieland MicroCool coldplate, which is included for thermal management.

KIT-CRD-CIL12N-XM3(圖 11)是一個評估平台,使設計人員能夠在發生電感負載開關事件時準確測量 Wolfspeed XM3 功率模組的電壓和電流波形。這使得可以在精確的測試條件下計算開關損耗能量,以動態地評估模組,並便於進行模組內比較操作。它對應的柵極驅動器(也顯示在圖 11 中)是直接安裝的雙通道隔離柵極驅動器,已專門針對 XM3 功率模組進行了優化。

KIT-CRD-CIL12N-XM3 Evaluation Platform for MX3 Half-Bridge Module (Left) and the CDG12HBXMP XM3 Gate Driver

此外,SpeedFit 2.0 設計模擬器有助於加速設計過程,其類比結果基於計算的損耗、估計的結溫和實驗室資料,適用於從簡單降壓/升壓轉換器到完全雙向圖騰柱 PFC 設計的各種常見拓撲結構。這有助於驗證滿足應用場景的模組和元件,同時為不同的元件和配置提供真正的比較性能。

總結

概括而言,符合汽車標準的 EAB450M12XM3 半橋全 SiC 模組中包括具有優化的散熱設計的高功率密度封裝,可滿足各種應用場景(如電機和牽引驅動器、車輛快速充電機和汽車測試設備)的要求。設計人員能在一個易於使用的封裝中實現 SiC 的各種優勢(高開關頻率、低損耗、更高功率和額定溫度以及更佳效率和可靠性)。該封裝提供的端子設計,可以直接連接母排,而無需折彎或套管,實現了簡單的低電感設計。其它與 EAB450M12XM3 相配合的車規級元器件可以通過新設立的 Power Applications Forum 查詢。此外,還提供一些參考設計、應用說明和設計資源(如模擬器),以説明加速開發流程並為設計人員建立信心。敬請瀏覽 Wolfspeed 網站,瞭解更多 XM3 功率模組、訪問參考設計有關的資訊。

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