使用行业标准无底板封装的碳化硅技术实现系统升级

Wolfspeed 推出了 Wolfspeed WolfPACK™ 系列功率模块，该系列采用众所周知的功率模块封装中的碳化硅 （SiC） 器件。这些模块建立在Wolfspeed多年来致力于其碳化硅材料和器件的研究和优化之上。除了增加载流量和降低开关损耗等关键改进外，这些模块还具有关键优势，例如坚固的压接引脚、弹簧加载的无底板模块连接、与第二供应商的封装兼容性、通过嵌入式 NTC 进行集成温度测量以及比其他行业标准模块更高的功率密度。全新的 Wolfspeed WolfPACK 功率模块系列填补了大电流模块和分立元件之间的空白，提供了比并联分立元件阵列更简单、更稳健、更灵活的选择。本文探讨了全新的 Wolfspeed WolfPACK 系列无碳化硅无基板功率模块，并展示了这种多功能且可扩展的模块方法如何实现当前硅 （Si） 设计的快速升级并缩短上市时间。

碳化硅技术的优势

与业界的传统硅技术相比，碳化硅元件具有更低的传导损耗、更快的开关瞬变、更高的工作温度和更高的鲁棒性。这些性能优势通常可以转化为更高的功率密度和更高的效率，而更高的可靠性可以降低系统生命周期内的维护成本。

上图显示了各种材料在多个击穿电压下的性能。在考虑高总线电压下的高开关频率时，碳化硅是首选材料。

碳化硅电源，无底板模块

Wolfspeed WolfPACK 模块将碳化硅 MOSFET 封装在可重新配置的封装中，该封装采用 PressFIT、无焊引脚与外部 PCB 接口。这些引脚在网格中对齐，可以根据内部模块设计进行定位，从而允许碳化硅器件的多种拓扑结构，例如半桥或六组。

该模块使用金属安装片作为弹簧力接口。这种方法沿模块底部均匀分布压力，以确保与散热器的热接触。Wolfspeed 安装指南建议使用两个螺栓用于散热器片，并用四个螺钉将外壳连接到 PCB。这些快固件在散热器、模块和 PCB 之间提供了刚性而坚固的机械连接。

图 2 显示了模块之间的不同热堆栈，包括底板和 Wolfspeed WolfPACK 模块系列。无底板设计不仅减轻了模块的重量，还减小了封装尺寸。根据热管理系统的不同，在无底板方法中，总热阻Rthih通常会降低。此外，陶瓷直接键合铜 （DBC） 基板为散热器提供了出色的电气隔离，但热阻较低，与带隔离焊盘的分立式实现方案相比，这些无基板模块的热性能要好得多。这反过来又允许模块提供比分立封装中的相同器件更好的载流量。而且，与碳化硅技术的优势相结合，与基于 IGBT 的模块相比，Wolfspeed WolfPACK 模块可以显著减小转换器尺寸。

图2：底板和无底板堆叠的比较。

使用 Wolfspeed WolfPACK 设计系统

如上所述，Wolfspeed WolfPACK™ 电源模块使用 PressFIT 引脚，这是一种成熟的连接方法，使用带有弯曲主体的引脚。当引脚插入电镀PCB通孔时，引脚被压缩，这种压缩提供了高可靠性和出色的电气/热/机械性能，无需进一步拧紧，专用部件或焊接。

缺少专用连接器或适配器也减少了安装时间，因为模块可以正确定向并推入到位。这种连接方式的简单性和坚固性减少了系统维护，而模块的单向特性可防止错误安装。

此外，Wolfspeed WolfPACK 模块可以拆卸并重新用于其他设计或配置。因此，这些模块不仅可靠，而且用途广泛，可用于各种设计的原型设计。鉴于 PressFIT 连接的高可靠性，工程师可以创建与最终产品非常相似的原型。这减少了开发阶段的数量，使工程师能够自信地了解最终产品的性能。

探索采用碳化硅电源解决方案的无基板模块的优势

Wolfspeed WolfPACK 碳化硅无底板功率模块包含氧化铝基板，有助于 MOSFET 的传热、电气隔离和信号/电源路由。图3显示了六桥和半桥电源模块的内部布局，这两个模块都包含一个用于温度监控的集成NTC组件。此外，行业标准的封装/引脚排列允许多种采购，并可轻松将现有系统升级到碳化硅。

图3：六组模块（左）和半桥模块（右）的内部布局

Wolfspeed WolfPACK 模块不需要与散热器进行电气隔离（因为隔离已经由氧化铝基板完成）。这降低了半导体器件与热管理系统之间的热阻。带有模板/屏幕的热界面材料，可用作装配过程的一部分，并有助于热量分布。热界面材料 （TIM） 可以是导电的，因为电绝缘 TIM 通常会降低热性能。

将无基板模块与传统的大电流模块进行比较时，Wolfspeed WolfPACK™ 模块可以在更小的尺寸内实现更高的功率密度，同时降低组装成本。这是由于将多个碳化硅MOSFET集成到单个小型封装中，以及散热器和PCB之间的高度减小，与分立器件或传统封装相比，可实现更紧凑的设计。由于 Wolfspeed WolfPACK™ 模块可以并联，设计人员可以创建可扩展到适当功率水平的系统，同时优化空间和成本。

多个模块可以安装在类似的尺寸内，无需充分利用笨重的大电流模块。此外，采用 PressFIT 引脚和 PCB 实现的布线电源可以消除对重型铜母线的需求。

此外，Wolfspeed WolfPACK PCB 安装允许使用重叠平面以最小化电感，从而实现非常快速的开关。

结论

Wolfspeed 的 WolfPACK 碳化硅功率无底板模块为设计人员提供了对传统硅无基板模块的可靠、快速升级。该技术在中等功率系统中提供了极大的可扩展性，有可能最大限度地减小转换器尺寸并降低系统BOM成本，同时为设计人员提供弥合分立元件和高载流量模块之间差距的选项。

审核编辑：郭婷