0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

WolfPACK 功率模块的性能优于基于硅的功率器件

高桂清 来源:沈文强66 作者:沈文强66 2022-08-04 10:39 次阅读

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。

poYBAGHETOeANXuTAADn2XL8DP4825.png

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。

pYYBAGHETPKAQ_RNAABe6Sc1ZSQ214.jpg

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)。

poYBAGHETP2ATbxXAACIMMOJa8A806.png

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

pYYBAGHETQmAZuTVAAAwsooTjho431.jpg

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

pYYBAGHETROAbu49AABjRxf2H4g982.jpg

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。

pYYBAGHETR6AfqwTAABGC7z-E1Y025.jpg

图 6:WolfPACK CCB021M12FM3 六块装模块等效图

审核编辑:汤梓红

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 半导体
    +关注

    关注

    327

    文章

    24172

    浏览量

    201057
  • 功率模块
    +关注

    关注

    10

    文章

    393

    浏览量

    44657
  • 碳化硅
    +关注

    关注

    24

    文章

    2379

    浏览量

    47316
收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    碳化硅功率器件的工作原理和性能优势

    随着全球能源结构的转变和可再生能源的普及,电力电子技术在现代社会中的作用日益凸显。作为电力电子技术的关键元件,功率器件性能直接影响着能源转换和使用的效率。近年来,碳化硅(SiC)功率
    的头像 发表于 02-25 10:37 219次阅读
    碳化硅<b class='flag-5'>功率</b><b class='flag-5'>器件</b>的工作原理和<b class='flag-5'>性能</b>优势

    氮化镓功率器件结构和原理

    氮化镓功率器件是一种新型的高频高功率微波器件,具有广阔的应用前景。本文将详细介绍氮化镓功率器件
    的头像 发表于 01-09 18:06 708次阅读

    简单认识功率器件

    功率器件 (Power Devices) 通常也称为电力电子器件,是专门用来进行功率处理的半导体器件
    的头像 发表于 01-09 09:38 424次阅读

    性能功率器件的封装

    分析多方面因素综合作用下的功率器件失效过程和机理。半导体模块在实际的工作中不仅涉及热应力,同时还受振动、湿度等因素影响,现有研究主要集中在温度对器件可靠性的影响,较少分析多种因素共同作
    的头像 发表于 01-03 16:21 371次阅读
    高<b class='flag-5'>性能</b><b class='flag-5'>功率</b><b class='flag-5'>器件</b>的封装

    碳化硅功率器件的实用性不及硅基功率器件

    碳化硅功率器件的实用性不及硅基功率器件吗  碳化硅功率器件相较于传统的硅基
    的头像 发表于 12-21 11:27 295次阅读

    功率半导体冷知识:功率器件功率密度

    功率半导体冷知识:功率器件功率密度
    的头像 发表于 12-05 17:06 269次阅读
    <b class='flag-5'>功率</b>半导体冷知识:<b class='flag-5'>功率</b><b class='flag-5'>器件</b>的<b class='flag-5'>功率</b>密度

    车规级功率模块封装的现状,SiC MOSFET对器件封装的技术需求

    1、SiC MOSFET对器件封装的技术需求 2、车规级功率模块封装的现状 3、英飞凌最新SiC HPD G2和SSC封装 4、未来模块封装发展趋势及看法
    发表于 10-27 11:00 440次阅读
    车规级<b class='flag-5'>功率</b><b class='flag-5'>模块</b>封装的现状,SiC MOSFET对<b class='flag-5'>器件</b>封装的技术需求

    #IPM #智能功率模块 什么是智能功率模块(IPM)及作用?

    智能功率模块IPM
    深圳市浮思特科技有限公司
    发布于 :2023年10月11日 15:35:16

    功率模块IPM、IGBT及车用功率器件

    功率半导体器件在现代电力控制和驱动系统中发挥着重要作用。IGBT模块和IPM模块是其中两个最为常见的器件类型。它们都可以用于控制大
    的头像 发表于 09-04 16:10 4830次阅读
    <b class='flag-5'>功率</b><b class='flag-5'>模块</b>IPM、IGBT及车用<b class='flag-5'>功率</b><b class='flag-5'>器件</b>

    氮化镓功率器件结构和原理 功率器件氮化镓焊接方法有哪些

    氮化镓功率器件具有较低的导通阻抗和较高的开关速度,使其适用于高功率和高频率应用,如电源转换、无线通信、雷达和太阳能逆变器等领域。由于其优异的性能,氮化镓
    的头像 发表于 08-24 16:09 1998次阅读

    功率半导体的知识总结(MOSFET/IGBT/功率电子器件/半导体分立器件

    功率半导体包括功率半导体分立器件(含模块)以及功率 IC 等。其中,功率半导体分立
    发表于 07-26 09:31 5202次阅读
    <b class='flag-5'>功率</b>半导体的知识总结(MOSFET/IGBT/<b class='flag-5'>功率</b>电子<b class='flag-5'>器件</b>/半导体分立<b class='flag-5'>器件</b>)

    GaN功率集成电路:器件集成带来应用性能

    GaN功率半导体器件集成提供应用性能
    发表于 06-21 13:20

    什么是氮化镓功率芯片?

    电源和信号,一直是业界无法实现的。因为器件的开关速度太慢,而且存在驱动器和 FET 之间的寄生阻抗、高电容 FET 以及性能不佳的电频转换器/隔离器,导致了
    发表于 06-15 14:17

    SiC器件如何增加功率电路的安培容量

    分立器件相比,其在某些系统设计中的性能更为出色。这有赖于该模块在单个基底之内整合了线路连接和封装,因此无需进一步嵌入绝缘层,还能避免附加的寄生效应。您可以在 Wolfspeed WolfPAC
    的头像 发表于 05-24 11:07 304次阅读
    SiC<b class='flag-5'>器件</b>如何增加<b class='flag-5'>功率</b>电路的安培容量

    中等功率应用是Wolfspeed WolfPACK功率模块“最理想的应用场合”

    使转换器具有更高的效率和功率密度,最终为中等功率转换器(10 至 100 kW)带来了最佳解决方案。也正因如此,Wolfspeed 近期推出了 WolfPACK功率
    的头像 发表于 05-20 16:12 839次阅读
    中等<b class='flag-5'>功率</b>应用是Wolfspeed <b class='flag-5'>WolfPACK</b><b class='flag-5'>功率</b><b class='flag-5'>模块</b>“最理想的应用场合”