EAB450M12XM3 简介:Wolfspeed 首款车规级碳化硅功率模块
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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)。
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。
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 |
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。
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 |
---|---|---|---|---|---|
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 | mΩ | |
RDS on | Drain-Source On-State Resistance (MOSFET Only), TJ = 175 °C | 4.6 | mΩ | ||
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。
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。
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。
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。
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。