【導(dǎo)讀】隨著電力電子設(shè)備的采用越來越廣，設(shè)計(jì)工程師不斷面臨著挑戰(zhàn)，需要?jiǎng)?chuàng)建比以往效率更高的系統(tǒng)。通常，面臨的重大挑戰(zhàn)之一是為新設(shè)計(jì)選擇最合適的器件，這對(duì)于在不增加不必要系統(tǒng)成本的情況下滿足轉(zhuǎn)換器規(guī)格而言至關(guān)重要。Wolfspeed 深知這一挑戰(zhàn)，不斷擴(kuò)充我們的產(chǎn)品組合，以更好地滿足客戶需求。我們的目標(biāo)是向應(yīng)用工程師提供廣泛的產(chǎn)品，采用后可使其設(shè)計(jì)比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手更高效、更可靠、更可靈活配置。
經(jīng)過 30 多年的碳化硅（SiC）研發(fā)，我們目前的產(chǎn)品組合中包含各種 SiC 肖特基二極管、MOSFET 和功率模塊，涵蓋了廣泛的功率要求。相較于硅（Si）晶體管，出色的載流能力和更低的開關(guān)損耗使轉(zhuǎn)換器具有更高的效率和功率密度，最終為中等功率轉(zhuǎn)換器（10 至 100 kW）帶來了最佳解決方案。也正因如此，Wolfspeed 近期推出了 WolfPACK? 功率模塊系列。對(duì)于傳統(tǒng)上進(jìn)行分立式器件并聯(lián)的轉(zhuǎn)換器，該系列功率模塊可謂是理想的替代方案。
功率模塊對(duì)比分立式晶體管
在中等功率應(yīng)用中，分立方案通常在每個(gè)開關(guān)節(jié)位置上要求多個(gè)器件。無論是并聯(lián)式還是交錯(cuò)式，這些額外的器件都會(huì)進(jìn)一步增加電路板布局、熱管理、隔離、電磁干擾（EMI）和可靠性方面的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。功率模塊提供的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于，它們?cè)谠O(shè)計(jì)上可降低此類挑戰(zhàn)的復(fù)雜性，并可大大減輕系統(tǒng)設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)（特別是在替代一排分立式晶體管時(shí)）。圖 1 從概念上展示了適合于 WPAC 系列的功率輸出范圍；功率水平超過 10 kW 時(shí)，分立式解決方案的復(fù)雜性隨之增加，這讓 WolfPACK 系列在成本方面更具吸引力。
圖 1：WOLFSPEED WOLFPACK 模塊為超出單一分立式 MOSFET 額定功率范圍的功率而設(shè)計(jì)，并簡化了熱管理和系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)。
中等功率系統(tǒng)分立式方案設(shè)計(jì)的典型挑戰(zhàn)
設(shè)計(jì)分立式方案器件的轉(zhuǎn)換器時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須對(duì)所需的晶體管規(guī)格（如阻斷電壓、額定電流、導(dǎo)通電阻和開關(guān)能量）加以謹(jǐn)慎考慮。通常，一個(gè)重大的設(shè)計(jì)問題是對(duì)器件的選擇，而且由于封裝限制，分立式器件會(huì)限制可擴(kuò)展性。這意味著，增加系統(tǒng)功率要求（或設(shè)計(jì)更高輸出功率的轉(zhuǎn)換器）通常需要大量重新設(shè)計(jì)。此外，重復(fù)的器件選擇還需要新的、更高電壓/電流的晶體管，并且常常還需要進(jìn)行新的熱管理、PCB 布局和機(jī)械設(shè)計(jì)來適應(yīng)封裝。
如果選擇采用并聯(lián)更多晶體管的方法，會(huì)帶來一系列新的挑戰(zhàn)。例如，采用新器件及其熱管理和外圍元件（如柵極驅(qū)動(dòng)器和無源元件）將需要占用更多空間。由于并聯(lián)晶體管間電感不平衡會(huì)導(dǎo)致更高損耗、電壓過沖和壽命縮短，因而會(huì)帶來更多布局上的挑戰(zhàn)。換言之，大幅度擴(kuò)展分立式方案轉(zhuǎn)換器的輸出功率與設(shè)計(jì)新轉(zhuǎn)換器一樣，挑戰(zhàn)重重。
由于轉(zhuǎn)換器的目標(biāo)是通過更高的開關(guān)頻率來實(shí)現(xiàn)更大的功率密度，因此設(shè)計(jì)分立式器件的挑戰(zhàn)也隨之增加。實(shí)現(xiàn)高開關(guān)頻率所需的更快轉(zhuǎn)換速率會(huì)給控制系統(tǒng)帶來電磁干擾，特別是在 PCB 設(shè)計(jì)不佳的情況下。電磁干擾所可能直接引發(fā)晶體管誤開啟，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致額外損耗、器件壽命縮短，甚至使轉(zhuǎn)換器失效。更快的轉(zhuǎn)換速率還會(huì)增加?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)器成本，因?yàn)樾枰M(jìn)行大量隔離來保護(hù)敏感控制系統(tǒng)免受功率瞬變的影響。此類柵極驅(qū)動(dòng)器成本也與所需的并聯(lián)晶體管數(shù)量有關(guān)。
避免中等功率設(shè)計(jì)的常見失效模式：減少雜散電感
減少雜散電感對(duì)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)至關(guān)重要。PCB 走線、封裝、連接器、接口、引線和電線都會(huì)引起雜散電感，在設(shè)計(jì)功率和柵極回路時(shí)必須謹(jǐn)慎。尤為關(guān)鍵的是將柵極和功率回路耦合在一起的電感，這些電感為電源和信號(hào)源連接所共用（即共源電感）。采用獨(dú)立開爾文連接的封裝通常是首選，因?yàn)檫@種封裝可消除任何外部的源極寄生電感（LCS）。雖然上述考量在轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中一直都很重要，但當(dāng)利用高 di/dt 的 SiC 晶體管時(shí)，這些雜散電感會(huì)發(fā)揮更為關(guān)鍵的角色。這是因?yàn)橛?MOSFET 開關(guān)產(chǎn)生的 di/dt 會(huì)在寄生電感上產(chǎn)生電壓（VL = L × di/dt），而這會(huì)增加 MOSFET 漏極的電壓峰值。因此，母線電壓和 MOSFET 阻斷電壓間所需的裕量與開關(guān)速度和寄生電感直接息息相關(guān)。由于開關(guān)速度也與開關(guān)損耗相關(guān)，因此，減少寄生電感遠(yuǎn)比降低開關(guān)速度要有益得多。這些影響在并聯(lián)器件時(shí)會(huì)變得更糟，因?yàn)樵陂_關(guān)瞬間可能會(huì)發(fā)生明顯的電流不平衡。
采用功率模塊可消除許多此類設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)，對(duì)功率和柵極回路的優(yōu)化會(huì)更容易，因?yàn)樵S多必要的工程設(shè)計(jì)已經(jīng)在模塊中完成。這降低了轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，并簡化了對(duì)布局的改動(dòng)。設(shè)計(jì)人員還可從 Wolfspeed 的“設(shè)計(jì)庫”中查找可靠的模塊布局經(jīng)驗(yàn)法則。
避免中等功率設(shè)計(jì)的常見失效模式：簡化熱管理
通常，分立式器件需要在其熱界面和熱管理系統(tǒng)之間進(jìn)行電壓隔離。原因在于散熱片或冷板將接地，而分立器件將暴露于高電壓下。功率模塊通過將器件貼裝到合適的銅面陶瓷（通常稱為直接敷銅基板 [DBC]）上，從而無需進(jìn)行額外的絕緣設(shè)計(jì)。功率模塊設(shè)計(jì)中采用的傳統(tǒng)堆疊方式，將 DBC 連接到金屬（或復(fù)合材料）底板上，底板上帶有用于將模塊固定在散熱片或冷板上的的安裝點(diǎn)。安裝底板時(shí)必須要謹(jǐn)慎，因?yàn)閴毫Σ痪驘醾鹘橘|(zhì)材料 (TIM) 不足/過量，都會(huì)增加模塊和熱管理系統(tǒng)之間的熱阻。
實(shí)現(xiàn)這些界面之間良好的熱傳遞需要兩個(gè)主要因素：熱阻（Rth）和熱膨脹系數(shù)（CTE）。
Rth 是熱從一個(gè)界面?zhèn)鬟f到另一個(gè)界面的容易程度的模型 - Rth 越高，表明從熱源中提取的熱能（或功率損耗）就越少。熱阻的大小取決于接觸面積、材料的熱導(dǎo)率和層厚。在帶底板的功率模塊中，必須對(duì) RJC（即晶體管芯片和底板外殼間的熱阻）以及外殼和散熱片間的熱阻加以考慮。為了降低 RJC，全新的 Wolfspeed WolfPACK 模塊采用無底板，實(shí)現(xiàn)了對(duì) DBC 基板的直接冷卻。這增加了晶體管的熱傳遞，降低了給定功率水平下芯片的結(jié)溫（圖 2）。
圖 2：經(jīng)典基板安裝式芯片結(jié)構(gòu)（左）與無基板 WOLFSPEED WOLFPACK 模塊結(jié)構(gòu)（右）之比較。
通常，SiC 芯片的 CTE（4.0 10–6/K）與陶瓷基板的 CTE 相匹配，后者一般由氮化鋁（AlN: 4.5 10–6/K）或氧化鋁（Al2O3: 8.2 10–6/K）構(gòu)成。但出于機(jī)械原因，底板一般由銅（Cu: 16.5 10–6/K）或 Al-SiC 復(fù)合材料（8.4 10–6/K）制成。這種不匹配，加上 DBC 和陶瓷之間的剛性接合層，會(huì)導(dǎo)致材料結(jié)點(diǎn)處應(yīng)力的增加。這些作用在 DBC 和底板間大接觸界面上的熱機(jī)械應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)疲勞和斷裂。充足的熱循環(huán)會(huì)引起焊點(diǎn)分層（這會(huì)大大增加熱阻），甚至?xí)勾嘈蕴沾?DBC 斷裂，導(dǎo)致模塊失效。
Wolfspeed WolfPACK 獨(dú)特的無底板設(shè)計(jì)消除了與不匹配材料的剛性連接，進(jìn)而消除了這種機(jī)械性失效點(diǎn)。底板安裝螺栓被替換成金屬扣片，金屬扣片在塑料外殼上拉動(dòng)，將力均勻地分布在基板上。由于 DBC 和散熱片之間的界面是柔性潤滑脂（而非剛性焊料），因此可允許材料間的脹差，而不會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力。除了可靠性優(yōu)于手動(dòng)和自動(dòng)焊接外（參見表 1），這些壓合式金屬扣片還大大降低了功率模塊的組裝成本。這種安裝方法便于將任何數(shù)量的模塊和其他器件安裝到單一散熱片或冷板上，由此簡化了熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
設(shè)計(jì)人員如何利用 Wolfspeed WolfPACK擴(kuò)展功率？
與分立式元件和傳統(tǒng)功率模塊相比，Wolfspeed WolfPACK 模塊的大功率/大電流能力大大簡化了中等功率轉(zhuǎn)換器（最高 100 kW）的設(shè)計(jì)，易于使其更具擴(kuò)展性，而且占用空間小，可實(shí)現(xiàn)更高的功率密度。Wolfspeed WolfPACK 模塊提供一系列不同規(guī)格和配置，這允許許多功率系統(tǒng)得以快速開發(fā)、易于構(gòu)建和維護(hù)，且在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)高可靠性。這些模塊的最大額定漏源極電壓（VDS）為 1,200 V，連續(xù)漏極電流（ID）為 30 A 至 100 A，可輕松構(gòu)成中等功率系統(tǒng)的單元模塊。此外，Wolfspeed WolfPACK 模塊解決方案的可擴(kuò)展性非常高，因?yàn)榈靡嬗谀K設(shè)計(jì)，通過交錯(cuò)和并聯(lián)擴(kuò)展系統(tǒng)要簡單得多。
在電動(dòng)汽車充電、太陽能轉(zhuǎn)換/儲(chǔ)存和電源供應(yīng)等無數(shù)應(yīng)用中，都需要中等功率直流/直流轉(zhuǎn)換器。例如，可通過并聯(lián)連接任意數(shù)量的功率橋臂來擴(kuò)展最大輸出電流/功率能力，同時(shí)減小電流紋波，來實(shí)現(xiàn)多相交錯(cuò)、雙向直流到直流轉(zhuǎn)換器（圖 3）。三相交錯(cuò)的直流/直流轉(zhuǎn)換器開關(guān)的柵極信號(hào)被移相 120°，以消除低頻諧波。只需對(duì)控制器和熱系統(tǒng)進(jìn)行較小改動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)交錯(cuò)。輸出功率可達(dá) 60 多千瓦，仍遠(yuǎn)低于 SiC 芯片的最大結(jié)溫，使系統(tǒng)能夠在其使用壽命內(nèi)可靠地運(yùn)行。交錯(cuò)是一種上佳的策略，可避免并聯(lián)器件的某些挑戰(zhàn)，同時(shí)還能提高系統(tǒng)性能，減小輸出電感的尺寸。
圖 3：交錯(cuò)直流/直流轉(zhuǎn)換器基本示意圖。
這種交錯(cuò)方法可應(yīng)用于各種轉(zhuǎn)換器和逆變器架構(gòu)，從而在不犧牲電氣和熱性能的情況下可靠地?cái)U(kuò)展功率。加上 SiC 技術(shù)優(yōu)勢(shì)和無底板 Wolfspeed WolfPACK 系列簡化的熱管理，使得寬輸出功率范圍的轉(zhuǎn)換器系列的設(shè)計(jì)從未如此容易！
簡單的可擴(kuò)展性是 Wolfspeed WolfPACK? 系列無底板功率模塊的典型特征之一。如前所述，增加系統(tǒng)功率能力的一種方法是交錯(cuò)或并聯(lián)模塊。但要擴(kuò)大基于 FM3 的系統(tǒng)額定功率的一種最簡單的方法是將 GM3 插入到您的解決方案中。但可擴(kuò)展性不僅僅是功率，還與選擇相關(guān) - 這些選擇可增強(qiáng)您當(dāng)前解決方案的性能，具體取決于您試圖通過可擴(kuò)展系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)什么。
為了幫助理解插入 GM3 可在系統(tǒng)中帶來什么益處，讓我們考慮具有如下參數(shù)的典型 2 電平平并網(wǎng)逆變器或 AFE 系統(tǒng)，如下所示：800 VDC 總線電壓，480 VAC 線路間有效值柵極電壓（RMS），環(huán)境溫度 Tamb = 50 °C，線路電感 L = 100 μH。每個(gè)橋臂代表半橋 FM3 或 GM3 Wolfspeed WolfPACK? 功率模塊。
圖 4：2 電平并網(wǎng)逆變器或 AFE 系統(tǒng)。
在本研究中，我們將 CAB011M12FM3（11 mΩ）視為我們基于 FM3 的參考基準(zhǔn)。使用上述定義的系統(tǒng)參數(shù)并在相對(duì)較高的開關(guān)頻率（50 kHz ）下工作，由于半導(dǎo)體損耗，在達(dá)到 150°C 最高結(jié)溫之前，可實(shí)現(xiàn) 75 kW 的額定功率。
將 CAB008M12GM3（8 mΩ）插入到完全相同的 75 kW / 50 kHz 系統(tǒng)中，仍顯示出很高的系統(tǒng)效率（高達(dá) 98.9%），但將器件結(jié)溫降低到了僅 114°C。在這種較低的溫度下運(yùn)行器件，可延長器件壽命或提高可靠性，也可提供更高的開銷和過載能力。另外，尤為明顯的是，有提高結(jié)溫的空間，從而提高系統(tǒng)的額定功率，在這種情況下，可提高到 100 kW（50 kHz / Tj = 150°C）。
現(xiàn)在插入 CAB006M12GM3（6 mΩ），還可對(duì)上述討論的系統(tǒng)進(jìn)一步增強(qiáng)性能。同樣，在給定額定功率下，可降低器件的工作結(jié)溫，或可通過增加系統(tǒng)的額定功率，甚至提高開關(guān)頻率來進(jìn)一步利用額外的結(jié)溫裕量。以下給出了這項(xiàng)比較研究的摘要，以演示 GM3 平臺(tái)提供的可擴(kuò)展性選擇。
圖 5：展示 GM3 可擴(kuò)展性的比較研究結(jié)果。
顯然，如所示，插入更大的 GM3 平臺(tái)可增加基于 FM3 的解決方案的額定功率，但為可擴(kuò)展解決方案帶來的益處不止這些。根據(jù)您的設(shè)計(jì)目標(biāo)，降低操作結(jié)溫以增加系統(tǒng)魯棒性，或增加開關(guān)頻率以減少磁性元件尺寸/成本并提高控制范圍，它們都是為您的可擴(kuò)展系統(tǒng)增強(qiáng)性能的理想方法。總而言之，GM3 平臺(tái)為設(shè)計(jì)人員提供了輕松擴(kuò)展電力電子系統(tǒng)的選擇。
圖 6：使用 GM3 WOLFSPEED WOLFPACK? 平臺(tái)輕松擴(kuò)展您的系統(tǒng)。
除了增加模塊尺寸或有源芯片面積外，另一種提高可擴(kuò)展性的方法是選擇功率模塊的材料堆疊。在沒有基板的情況下，這種選擇實(shí)際上只有兩種自由度，且會(huì)對(duì)模塊（熱傳介質(zhì)材料 (TIM) 和基板陶瓷材料）的總體熱阻產(chǎn)生顯著影響。從圖中可以看出，TIM 層可占總體節(jié)點(diǎn)-散熱片熱阻 （RthJH）的 60%。雖然最終用戶可從眾多 TIM 中進(jìn)行選擇，但即使選用性能極高的散熱膏材料，也難以顯著影響 TIM 層的作用。而在另一個(gè)自由度方面，陶瓷基板可以顯著降低整體熱阻值，這是我們接下來將探討的問題。
圖 7：典型的 RthJH 分布。
WolfSpeed WolfPACK 系列的典型必備陶瓷基板是氧化鋁（Al2O3），因其具有極佳的性價(jià)比，非常適合此類無底板模塊系列。但客戶了解，氮化鋁（AlN）可較大的提高性能，且成本的提升相對(duì)較低。AIN 的熱導(dǎo)率比 Al2O3 高 7 倍，因而也就不難理解這些影響了：降低熱阻，降低給定損耗的 Tj，提高給定損耗下的 PC 使用壽命，提高 SiC 性能的利用率。
考慮一下在 800 VDC 總線電壓、480 VAC 線對(duì)線 RMS 電網(wǎng)電壓、環(huán)境溫度 Tamb = 50 ℃ 和線路電感 L= 100 μH 下運(yùn)行的 2 電平并網(wǎng)逆變器，也再次證明了這一點(diǎn)。與之前的可擴(kuò)展性研究一樣，采用 AlN 基板的6mΩ GM3，即可在三個(gè)變量間進(jìn)行擴(kuò)展：功率、開關(guān)頻率和結(jié)溫。這為需要更大可用電流能力的客戶提供了解決方案，或者在某些用例下，可降低工作結(jié)溫以延長使用壽命，或者支持更高的散熱片溫度（降低成本）。
圖 8：展示 GM3 可擴(kuò)展性的比較研究結(jié)果。
Wolfspeed WolfPACK 提供了一種建立在 SiC 技術(shù)長期投入基礎(chǔ)上的新設(shè)計(jì)
Wolfspeed WolfPACK 功率產(chǎn)品組合是數(shù)十年來對(duì) SiC 研發(fā)投入的頂峰之作，加上無基板設(shè)計(jì)，為原始設(shè)備制造商和設(shè)計(jì)工程師提供了更多選擇，從而用以支持廣泛的行業(yè)應(yīng)用。
通過在提供壓合式、無焊料引腳與外部 PCB 連接的容器內(nèi)裝配幾個(gè) SiC MOSFET，就為設(shè)計(jì)人員提供了更大的靈活性和可擴(kuò)展性。Wolfspeed WolfPACK 系列功率模塊根據(jù) MOSFET 內(nèi)部排列結(jié)構(gòu)為特定應(yīng)用提供優(yōu)化的引腳分配（如半橋式、全橋式、六管集成以及降壓式/升壓式電路等）。Wolfspeed WolfPACK 外殼底部采用陶瓷基板替代底板，該陶瓷基板用于模塊底部和金屬墊片的電氣隔離，金屬安裝扣片利用彈簧力與散熱片連接。這種方法將壓力均勻地分布到模塊底部，確保了與散熱片充分的熱接觸，同時(shí)還為散熱片、模塊以及 PCB 之間提供了穩(wěn)固的機(jī)械連接。
無底板封裝中實(shí)現(xiàn)較高的功率密度，加之 SiC 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了緊湊布局、更快速、更簡潔的開關(guān)切換，可為設(shè)計(jì)人員減少達(dá) 25% 的體積。除了功率密度優(yōu)勢(shì)，Wolfspeed WolfPACK 模塊還簡化了系統(tǒng)布局和組裝流程。這讓從事中等功率應(yīng)用工作的工程師能在很大程度上提高功率密度，同時(shí)最大限度降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性。
Wolfspeed WolfPACK 固有的簡單性可支持高度的可擴(kuò)展性，有助于加快生產(chǎn)流程，降低系統(tǒng)組裝成本，同時(shí)還提供了大量選擇。這些新型 Wolfspeed WolfPACK 模塊搭載全SiC MOSFET 半橋和全 SiC MOSFET 六管集成，并具有多種不同導(dǎo)通電阻的選擇。
提供多種選擇和可靠性的功率模塊
全新系列的 Wolfspeed WolfPACK 模塊為設(shè)計(jì)人員提供適用于各種應(yīng)用的功率產(chǎn)品組合，無論是進(jìn)行單千瓦設(shè)計(jì)還是兆瓦系統(tǒng)之間的任何設(shè)計(jì)。
這些模塊建立在 Wolfspeed 行業(yè)領(lǐng)先的 SiC 技術(shù)基礎(chǔ)之上，以小封裝實(shí)現(xiàn)超低損耗，非常適合規(guī)?；詣?dòng)化和制造，從而為能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)提供清潔、可靠的電力。
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