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Power Modules

Wolfspeed WolfPACK™ 模块 – 应用及市场概况

Dr. Ty McNutt
Jan 11, 2021
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电动汽车 (EV) 的发展正不断推动电力电子市场的创新,而许多国家和地区都在为电动汽车的使用提供补贴,电力电子行业的发展必将呈现蒸蒸日上的态势。这种电动汽车接受度和使用度上的急剧提升,对充电基础设施等相关产业的发展也极为有利。电动汽车的普及使用需要有足够数量的充电桩来支持,这一点毋庸置疑。除电动汽车行业外,能源等其他领域也在迅速采用电力电子技术,从而积极扩张,减少对迅速衰竭的自然资源的依赖。众多设计工程师已预测到这样的变化,他们已开始采用先进的电力电子技术来打造快速、高效的设计

保持成本效益和小尺寸,同时提高效率和系统性能,一贯是设计工作的关键目标。在这样的背景下,碳化硅 (SiC) 正逐渐成为电力电子行业的标配。SiC 具有出色的高电流处理性能,与硅 (Si) 相比,在高开关频率情况下的损耗相对更低,因此是一种面向未来的半导体材料。在充分利用这种半导体材料方面,功率模块显然更胜一筹。

模块移除了多余的封装/连接布线,帮助实现紧凑的电路,同时提高热管理性能,因此提高了常见拓扑结构的效率,还有助于更快速的安装应用。无基板模块技术已成为电力电子领域较为成熟的多用途封装,如今已开始通过与碳化硅 (SiC) 的组合带来诸多优势。SiC 能够在不牺牲效率和性能的情况下,实现更小尺寸并优化系统成本。这两种成熟解决方案相得益彰,有望满足设计工程师的各种要求想了解 SiC 器件如何提高您现有设计的性能,请使用我们的 SpeedFit 模拟器

为了满足激增的需求,旗下公司 Wolfspeed 发布 Wolfspeed WolfPACK,这种新型功率模块产品组合,在单一并紧凑的解决方案中,将 SiC 的诸多优势与最新的联接技术相结合。与市场上的多个分立式、非分立式和其他市售模块相比,该解决方案能够实现单位尺寸内功率最大化。 Wolfspeed WolfPACK 为无基板产品,因此重量较轻。与传统的大功率基板模块相比,能够带来更小的设计尺寸。

Wolfspeed WolfPACK 将提供半桥和六管集成配置。这两种配置是最常用的配置,或者可以说是众多电路设计中的“基本单元”。您可以通过 Wolfspeed WolfPACK 系列页面了解关于 Wolfspeed WolfPACK 及其性能和其他规格等更多信息

SiC 技术,掌控全局

SiC MOSFET 及二极管历经验证,能够在支持快速非车载充电方面,满足车主、企业和市政单位的所有共通设计目标。与目前市面上的其他选项相比,基于 SiC 的解决方案发热量更少、尺寸更小、更环保、更轻量、更耐用、更快速、更高效。

以电动汽车充电基础设施为例:SiC 技术被用于最小化充电桩的尺寸和重量,同时维持充电时间并减少整体损耗。这使得充电桩能够被集成在多种环境之中,进而开始推动充电桩的普及,以期未来达到类似燃油汽车加油站的普遍程度。

电动汽车正在受到大量关注,同时也有很多其他基于 SiC 的功率模块应用正蓄势待发,例如,必须能够支持快速充电的电动汽车基础设施以及其他高功率工业和商业负载的电网。借助直接与电网联接的关键储能系统,这些模块能够和现有电网相得益彰。这不仅能够通过渐进式升级换代来满足日益增加的清洁能源的需求,还有益于电网基础设施的快速扩展。说到清洁能源,太阳能和可再生能源正迅速成为电网现代化的关键部分。然而,尽管更多依靠这类可替代能源资源是积极的进步,但平衡供需仍是可再生能源行业所面临的一项重大挑战。

对于太阳能解决方案来说,天气状况会让光伏 (PV) 模块产生的电力发生剧烈的波动。更详细来看,这些 PV 模组提供的电力形式为直流电,且必须通过太阳能逆变器转换为交流电,这样才能输送到电网中,以供当地使用或传输至使用地点。虽然这是一个较为繁琐的过程,但由于无基板 SiC 模块将直流电转换为交流电的效率较高,所以能够简化整个过程。此外,无基板 SiC 解决方案能够为 PV 逆变器减少近 50% 的体积、重量以及成本1,同时提高效率。由于系统对技术的高利用率,因此效率是一大关键特性。

除了电动汽车和可再生能源使用案例外,无基板 SiC 技术还适用于一系列与非车用且基于发动机的应用,特别是与电控电动机相关的方面。基于 SiC 的功率解决方案能够为多种类型的发动机和驱动装置带来更小的体积。从而,这种技术正迅速在工业自动化应用的交流伺服驱动器中普及。这包括机床、物流系统以及机器人等。这其中很大一部分原因是无基板拓扑能够为这些行业实现更佳的热性能,并提高可拓展性。

此外,基于 SiC 的功率模块也适用于支持高效率储能系统以及不间断供电 (UPS) 系统中的双转换系统。这很大程度上可以归功于模块化设计,这种设计能够形成内置冗余,并消除单点故障。无基板封装能够为设计人员提供更出色的效率、更优秀的热管理性能以及更出色的可靠性。因此通过堆叠功率模块即可实现可拓展性并提高性能,从而在降低购置成本的情况下,提高能源效率。

Wolfspeed WolfPACK 数十年 SiC 投资和成果

Wolfspeed 最新功率模块是业界领先的 SiC 解决方案,采用无基板设计,可支持不同功率水平的多种配置,适用领域包括电动汽车、可再生能源、电网、工业以及许多其他应用领域。

具体来说,新型 Wolfspeed WolfPACK 功率模块系列在单体内包含多个 SiC MOSFET,提供压接式、免焊接引脚,用于连接外部 PCB。产品根据 MOSFET 的内部排列结构(例如半桥、全桥、六管集成以及 Buck 降压式/Boot 升压式布局等)为特定应用提供优化的引脚分配,因此能够为设计者提供极大的灵活性和可拓展性。

与大部分高电流模块不同,Wolfspeed WolfPACK 壳体底部不包含基板,而是采用陶瓷基片作为电绝缘导热垫片,其上配有金属贴装紧固件,可用作散热器的弹力接口。采用此种设计的好处在于其能够为模块底部均匀地分配压力,确保与散热器进行充分的热接触,因此可为散热器、模块以及 PCB 之间提供稳固的机械连接。SiC技术使得在小型无基板封装中实现高功率密度,并结合紧凑布局及更简洁、更快速的开关,可为设计人员减小近25%的尺寸。

结论

长久以来,Wolfspeed 一直推动着整个行业面向 SiC 技术的转型。Wolfspeed WolfPACK 模块是公司对 SiC 解决方案重要投资的成果,也代表了公司超过 17 年的 MOSFET 制造经验。

Wolfspeed 正在纽约州Marcy建造全球最大的 SiC 制造工厂是最好的体现。该制造工厂是对公司超材料工厂 (mega materials factory) 扩建工程的重要匹配。超材料工厂 (mega materials factory)目前正在位于北卡罗来纳州达勒姆市的公司总部开展。这两家工厂将极大地提高 Wolfspeed SiC 技术的产能,满足不断增长的需求。

随着新型 WolfSpeed WolfPACK 模块的推出,Wolfspeed 的功率产品组合现已覆盖整个应用范围,可为设计人员提供适合各种应用(从单千瓦设计到兆瓦系统)的解决方案。Wolfspeed WolfPACK 模块不仅能够提供出色的性能,还能提供卓越的灵活性和可拓展性。该模块的开发基于 WolfSpeed 业界领先的 SiC 技术,使其成为可靠的理想选择。

Wolfspeed WolfPACK™ 碳化硅模塊

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配置
阻断电压
额定电流
导通电阻 RDS(ON) @ 25°C
代际
最高结点温度
模块尺寸
CAB006M12GM3
GM3
Half-Bridge
1200 V
200 A
6 mΩ
Gen 3 MOS
150 °C
62.8 mm x 56.7 mm
GM3
Half Bridge (AlN substrate)
1200 V
200 A
6 mΩ
Gen 3 MOS
150 °C
62.8 mm x 56.7 mm
GM3
Half Bridge (AlN substrate)
1200 V
194 A
8 mΩ
Gen 3 MOS
150 °C
62.8 mm x 56.7 mm
GM3
Half-Bridge
1200 V
146 A
8 mΩ
Gen 3 MOS
150 °C
62.8 mm x 56.7 mm
FM3
Half-Bridge
1200 V
105 A
11 mΩ
Gen 3 MOS
150 °C
62.8 mm x 33.8 mm
FM3
Half-Bridge
1200 V
78 A
16 mΩ
Gen 3 MOS
150 °C
FM3
Six-pack (three-phase)
1200 V
51 A
21 mΩ
Gen 3 MOS
150 °C
62.8 mm x 33.8 mm
FM3
Six-pack (three-phase)
1200 V
40 A
32 mΩ
Gen 3 MOS
150 °C
62.8 mm x 33.8 mm

设计工具

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Evaluation Tool
FM3
Wolfspeed
KIT-CRD-CIL12N-FMC
Evaluation Tool
FM3
Wolfspeed
KIT-CRD-CIL12N-FMA
Evaluation Tool
GM3
Wolfspeed
KIT-CRD-CIL12N-GMA
Gate Driver Board
FM3, GM3
Wolfspeed
CGD1700HB2M-UNA
Analog Devices Adum4146 Half Bridge Gate Driver Board
Gate Driver Board
FM3, GM3
Partner
EVAL-ADUM4146WHB1Z
Gate Driver Board
FM3, GM3
Partner
Si823H-AxWA-KIT
Reference Design
FM3
Wolfspeed
CRD25AD12N-FMC
Technical Support
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