WolfPACK 功率模块的性能优于基于硅的功率器件-电子发烧友网

碳化硅 (SiC) 是一种宽带隙半导体，近年来已成功应用于多种电源应用，与基于硅技术的传统组件相比，表现出卓越的品质。基于 SiC 的功率分立器件具有相关特性，包括高开关频率和工作温度、低传导损耗、高可靠性和稳健性以及改进的热管理。由于这些特性，在电源电路中使用这些组件可以显着提高效率和功率密度，从而降低解决方案的成本和尺寸。

WolfPACK 是 Wolfspeed 最近向市场推出的功率模块系列，是希望提高电路效率和功率密度同时保持非常小的占位面积的设计人员的选择。Wolfspeed WolfPACK 模块提供两个半桥和两个六组配置，在非常小的空间内集成了适用于中等功率 (10 – 100 kW) 拓扑的SiC MOSFET。

Wolfspeed 的 WolfPACK 系列

WolfPACK 系列模块为中等功率应用提供插入式解决方案，它们能够简化 PCB 布局和印刷电路板上的模块组装操作。WolfPACK 模块占用 PCB 的小面积，提供高效率和功率密度，并降低应用的复杂性和重量。衍生的好处包括更低的维护成本（一个模块取代 N 个分立元件）、提高可靠性和耐用性。

设计人员可以利用集成的 SiC 来提高许多应用中的功率级效率，例如电动汽车 (EV) 牵引驱动、工业电源、电网基础设施、太阳能和可再生能源以及感应加热/焊接应用。Wolfspeed WolfPACK 模块的封装也是现有硅基模块的引脚兼容替代品，开启了插入式系统更新的可能性。图 1 显示了 Wolfspeed WolfPACK FM3 模块的封装：一个非常紧凑的组件，带有 PressFIT 引脚，可提供简化的集成和高度的灵活性。

图 1：WolfPACK FM3 模块包

碳化硅的好处

碳化硅是一种宽带隙 (WBG) 半导体，能够克服硅提供的许多限制，尤其是在涉及高电压和电流的电源应用中。低传导损耗，加上在更高开关频率（数百千赫兹）下工作的能力，使这种材料非常节能。能够承受非常高的工作温度，高于大多数基于硅的功率分立器件（其结温 Tj 约为 150°C）所能承受的温度，显着改善了热管理，减少或消除了对昂贵且庞大的热量的需求散热系统，例如散热器。

高温下效率的提高使基于 SiC 的组件更加可靠，为改造众多电源应用提供了一种选择，从而延长了它们的使用寿命。改进的热管理还为实现更高功率密度、减少占地面积和组件重量的制造工艺铺平了道路。图 2 显示了电源应用中使用的一些主要半导体提供的性能之间的比较，作为不同击穿电压值的函数。对图表的检查显示了碳化硅如何成为管理涉及高开关频率和高电压的应用的最合适的材料，尤其是当高于约 600V 时，氮化镓提供的限制之一，另一种 WBG 半导体能够提供完美的表现。

图 2：某些半导体的性能与击穿电压图

具有高击穿电压的特性非常重要，因为它的值与饱和状态下的漏极和源极之间的电阻或RDS（on）成反比，因此它非常低（大约几十欧姆）。通过降低电阻，部件产生的能量损失和热量减少，从而提高效率。SiC MOSFET 的击穿电压和 RDS (on) 参数优于传统硅基器件提供的参数，这对电源电路设计人员来说是一个巨大的优势。

图 3 中的图表提供了一个示例，其中将 WolfPACK CAB011M12FM3 模块（如图 1 所示）的总开关能量与第三方产品的总开关能量进行了比较（V DS =600V，T J = 150˚C） . 还可以观察到，FM3 模块在器件电流较高时在开关能量（越低越好）方面具有优势。在此比较中，R G选择由将设备过冲保持在制造商推荐的工作区域内所允许的最小值决定。虽然比电阻不同，但测量的 dv/dt（更重要的是过冲）在设备之间匹配（并且两个测试使用相同的电源 PCB 和计量以确保公平比较）。

图 3：CAB011M12FM3 与同类器件的效率对比

CAB011M12FM3 是半桥内部配置的模块，V DS =1200V，RDS (on) = 12mOhm（在虚拟结温变化时具有高稳定性，T VJ），总重量仅为 21 克。图 4 显示了模块的内部拓扑（半桥），其中包括一个用于虚拟结温测量的负温度系数 (NTC) 电阻器。

图 4：WolfPACK CAB011M12FM3 模块等效图

这些模块最具创新性和当前的应用是电动汽车充电器，其中 WolfPACK 模块可用于升级和比较现有高功率解决方案的性能。基于使用高直流电压的电动汽车快速和超快速充电电路，在可比成本下，整体效率提高 1%，功率密度增加 35%。此外，减少或消除冷却系统允许设计更小、更便宜的机械外壳。在当前基于 IGBT 开关晶体管的电源应用中，将传统的硅二极管替换为 Wolfspeed 碳化硅肖特基二极管，可以进一步降低开关损耗，高达 80%。

WolfPACK 系列的一些特点

图 5：WolfPACK 模块与分立解决方案的堆叠对比

至于封装，由于与 PCB 完美的电气、热学和机械连接，压入式引脚的存在确保了非常高的可靠性。从图 4 的框图中可以看出，电源模块还集成了一个 NTC，这对于执行精确的温度监控特别有用。WolfPACK 系列模块可用于单个和多个配置，其中可以轻松添加更多模块以适应更大的功率要求。在任何一种情况下，模块设计和与 PCB 的接口都可以轻松使用重叠平面，从而大大降低电感并实现非常快速的切换。

为了促进电源模块和最终应用的研究和评估阶段，Wolfspeed 为设计人员提供了 FM3 半桥评估套件，可以评估和优化开关性能通过精确测量开关能量和损耗（EON、EOFF、ERR）。以完全类似的方式，FM3 六件式评估套件允许您使用具有 SiC 六件式 MOSFET 内部配置的模块执行相同类型的评估和比较，如图 6 所示。