Wolfspeed 模塊產(chǎn)品組合

如何服務(wù)于整個(gè)功率范圍

相對(duì)于傳統(tǒng)硅（Si）元器件，碳化硅（SiC）技術(shù)的性能得到全面提升，包括：更低的功率損耗、更快的開關(guān)速度、更高的工作溫度、更高的功率密度、更高的整體效率。

Wolfspeed 升級(jí)后的功率模塊產(chǎn)品組合可通過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝實(shí)現(xiàn)以下優(yōu)勢(shì)：配置可服務(wù)于多種應(yīng)用，同時(shí)通過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝和高功率模塊中的封裝優(yōu)化，在與低功率、基于分立方案的應(yīng)用之間架起了橋梁，涵蓋整個(gè)功率范圍。

本文旨在展示設(shè)計(jì)人員如何在降低成本的同時(shí)提高系統(tǒng)效率，更重要的是，如何大幅提高系統(tǒng)的整體可靠性。

Wolfspeed 產(chǎn)品線簡要概述

Wolfspeed 產(chǎn)品組合涵蓋大量需要低至高功率解決方案的許多行業(yè)和應(yīng)用，包括電動(dòng)汽車（EV）、工業(yè)電源、電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、太陽能和可再生能源、測(cè)試設(shè)備、不間斷電源（UPS）和其它高功率系統(tǒng)。其中包括 1200 V 和 1700 V 的 基于SiC 的不同封裝模塊，具有多種 MOSFET 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提供肖特基和 MOSFET 體二極管反并聯(lián)選項(xiàng)，可提前進(jìn)行仿真以加快上市時(shí)間。圖 1 所示為該產(chǎn)品線以及部分功率范圍和應(yīng)用。

您會(huì)發(fā)現(xiàn)，Wolfspeed WolfPACK 系列功率模塊采用彈簧承載的無基板設(shè)計(jì)（包含壓接式引腳），適用于中等功率應(yīng)用，而 BM-、XM- 和 HM- 基板模塊可在更高的電流范圍內(nèi)運(yùn)行。無論如何應(yīng)用，所有模塊都旨在實(shí)現(xiàn)相同的目標(biāo)，即：最大限度地提高功率密度、簡化布局/組裝、實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的系統(tǒng)和平臺(tái)、最大限度降低人工和系統(tǒng)組件成本，同時(shí)提供最高級(jí)別的可靠性。

Wolfspeed WolfPACK SiC 功率模塊

全新的 Wolfspeed WolfPACK 系列產(chǎn)品（FM3/GM3）可在無基板、壓接式互連外殼中提供動(dòng)力。該產(chǎn)品系列提供兩種最常見的 MOSFET 配置（目前為六管集成和半橋），使眾多功率級(jí)能夠受益于 SiC 的優(yōu)勢(shì)。這些模塊還提供功率密度較高、重量較輕的系統(tǒng)組件?？傮w而言，Wolfspeed WolfPACK 模塊有助于縮小整體尺寸，減少復(fù)雜性，同時(shí)降低系統(tǒng)和維護(hù)成本。Wolfspeed WolfPACK 模塊為設(shè)計(jì)者提供可靠的中等功率范圍解決方案，可實(shí)現(xiàn)適當(dāng)擴(kuò)展，在必要時(shí)進(jìn)行無縫式系統(tǒng)升級(jí)。

Wolfspeed WolfPACK 外殼使用金屬安裝片作為彈力接口，配備散熱片，用于優(yōu)化熱管理性能，在熱結(jié)處提供均勻壓力。仔細(xì)觀察，其陶瓷直接敷銅基板可增強(qiáng)散熱片電氣隔離，并且實(shí)現(xiàn)較低熱阻，從而以更高載流量實(shí)現(xiàn)更好的熱性能。Wolfspeed WolfPACK 還配備了壓接引腳，由于在插入有鍍層的 PCB 時(shí)受到緊密壓縮，因此可提供高可靠性和出色的電氣和機(jī)械特性。通過與內(nèi)部 MOSFET 排列相對(duì)應(yīng)的引腳陣列，設(shè)計(jì)者可通過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝尺寸實(shí)現(xiàn)簡單的單向安裝。如果應(yīng)用需要多個(gè)模塊，內(nèi)部 PCB 安裝方法還提供將多個(gè)模塊連接在一起的選項(xiàng)，以滿足高功率需求。圖 2 所示為 FM3 和 GM3 WolfPACK 模塊。

Wolfspeed BM 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 62 mm 模塊

Wolfspeed 的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 62 mm SiC 模塊可實(shí)現(xiàn)業(yè)界最為豐富的高功率解決方案組合，專為滿足多種要求而設(shè)計(jì)，支持前所未有的系統(tǒng)功率和效率。設(shè)計(jì)者目前可將 62 mm IGBT 替換為采用 SiC 技術(shù)的 Wolfspeed 62 mm BM 模塊，幫助降低冷卻要求、系統(tǒng)成本、功率損耗和系統(tǒng)電感，同時(shí)優(yōu)化電壓利用率。

BM 62 mm 系列模塊采用 1.2 kV 和 1.7 kV 半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可提供高達(dá)530 A的電流。這些模塊的材料可針對(duì)不同的運(yùn)行條件進(jìn)行選擇，例如，Wolfspeed 提供符合THB-80 標(biāo)準(zhǔn)的外殼材料選項(xiàng)，提高惡劣環(huán)境下應(yīng)用的穩(wěn)健性。

BM 系列模塊（見圖 3）采用螺絲端子，利用疊層母線或 PCB 和銅基板實(shí)現(xiàn)高功率系統(tǒng)的安全連接，最大限度地提高導(dǎo)熱性和機(jī)械強(qiáng)度。此外，螺絲端子還具有 5 kV 隔離的爬電距離和電氣間隙，可支持 1.7 kV 有源器件。所有器件均采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 62 mm 封裝，可輕松實(shí)現(xiàn) 200 kW+ 的系統(tǒng)升級(jí)和直接替換。

這些模塊所支持的部分應(yīng)用包括非車載充電和電動(dòng)汽車快速充電系統(tǒng)、鐵路和牽引應(yīng)用、工業(yè)測(cè)試設(shè)備和工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。Wolfspeed BM 系列產(chǎn)品使用簡便，可通過碳化硅技術(shù)升級(jí)，擁有許多優(yōu)勢(shì)，包括提高功率效率、功率密度、開關(guān)頻率以及整體改善穩(wěn)健性和可靠性。

Wolfspeed XM3 和 HM3 平臺(tái)

Wolfspeed WolfPACK 和 BM 系列產(chǎn)品提供行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝，而 XM3 和 HM3 模塊則包含在更豐富的 Wolfspeed 產(chǎn)品組合中，幫助設(shè)計(jì)者充分利用外殼定制帶來的優(yōu)勢(shì)。

XM3 半橋模塊（俯視圖，如圖 4 所示）的封裝比 62 mm 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)尺寸小 50%，重量也輕 50%。其它特點(diǎn)還包括：導(dǎo)通和開關(guān)損耗優(yōu)化、低電感母線互連、集成溫度檢測(cè)、內(nèi)置電壓檢測(cè)，以及具有增強(qiáng)功率循環(huán)能力的高可靠性電源基板。外殼采用模塊化、可擴(kuò)展和可重新配置，電感低至 6.5 nH。

與類似的功率模塊（例如具有相似額定電壓和電流（1200 V 時(shí)高達(dá) 450 A）的 SemiTrans 3 或 EconoDual）相比，XM3 模塊為設(shè)計(jì)者提供的選項(xiàng)不僅尺寸小 50%，而且還減少 50% 的寄生電感，還能降低整體開關(guān)損耗。此外，相比傳統(tǒng)的 Si 逆變器，基于 XM3 的逆變器（例如 300 kW CRD300DA12E-XM3 和 600 kW CRD600DA12E-XM3 器件）在重量（減少多達(dá) 50%）和體積功率密度（高達(dá) 20 倍）方面均有顯著改進(jìn)。

HM3 系列產(chǎn)品可提供 Wolfspeed 目前功率密度最高的功率模塊。HM3 采用輕質(zhì)碳化硅鋁（AlSiC）基板、支持高電流（《 800 A）和高頻低電感的緊湊型尺寸，可提供經(jīng) SiC 技術(shù)優(yōu)化的尺寸實(shí)現(xiàn)前所未有的功率密度。該器件擁有兩種電壓選項(xiàng)，包括 481 A（帶肖特基二極管）和 765 A 的 1200 V 半橋，以及 380 A（帶肖特基二極管）和 650 A 的 1700 V 半橋。

HM3 模塊的外殼（如圖 5 所示）包含與碳化硅鋁基板和氮化硅基板兼容的62 mm螺栓，以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的熱機(jī)械性能，并采用 4.9 nH 電感的端子設(shè)計(jì)，適用于高功率疊層母線連接。接口引腳的爬電距離和電氣間隙可支持 1.7 kV 器件。在內(nèi)部，該器件具有柵極和開爾文電阻網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)開關(guān)位置可并聯(lián) 12 個(gè)器件。此外，該模塊還配備柵極驅(qū)動(dòng)器參考設(shè)計(jì) CGD1700HB3P-HM3，用于快速啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)基本保護(hù)和檢測(cè)。為進(jìn)一步降低模塊的工作溫度，可采用液冷冷板散熱片，例如 Wieland Microcool 的 CP3009-XP。

其他優(yōu)勢(shì)和資源可為設(shè)計(jì)人員提供信心，

加快產(chǎn)品面市時(shí)間

Wolfspeed 功率模塊經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠提供同類更優(yōu) SiC 性能的封裝，滿足每位客戶的特殊系統(tǒng)要求。此外，我們提供兩類不同產(chǎn)品，服務(wù)客戶群體的不同價(jià)值主張：包括行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝和優(yōu)化封裝。

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)尺寸是經(jīng)過精心設(shè)計(jì)的尺寸/封裝，已針對(duì) SiC 進(jìn)行內(nèi)部優(yōu)化，為采用 Si 基或 SiC 基器件平臺(tái)的客戶提供封裝層面直接替代產(chǎn)品。另一方面，Wolfspeed 開發(fā)的優(yōu)化的封裝，幫助采用 SiC 技術(shù)設(shè)計(jì)的模塊提供增強(qiáng)功能。

Wolfspeed 已發(fā)布適用于每個(gè)封裝平臺(tái)的評(píng)估柵極驅(qū)動(dòng)板，幫助設(shè)計(jì)者提高實(shí)驗(yàn)室效率。此外，Wolfspeed 還提供其他評(píng)估套件和參考設(shè)計(jì)（如逆變器、電源轉(zhuǎn)換器、充電機(jī)等），以加快產(chǎn)品上市時(shí)間。

參考設(shè)計(jì)均帶有應(yīng)用手冊(cè)、用戶指南、設(shè)計(jì)文件，讓設(shè)計(jì)者可以打造出具有出色功率密度、性能和效率的穩(wěn)固可靠系統(tǒng)。對(duì)此，值得注意的是：Wolfspeed 已與經(jīng)過專門測(cè)試并集成至評(píng)估和參考設(shè)計(jì)中的品牌合作，為設(shè)計(jì)者提供完整的圖片和記錄數(shù)據(jù)，用于所有開發(fā)階段的參考。

最后，Wolfspeed SpeedFit 2.0 設(shè)計(jì)仿真軟件通過幫助選擇合適的 Wolfspeed 產(chǎn)品，進(jìn)一步改進(jìn)了 SiC 設(shè)計(jì)流程。它可用于運(yùn)行仿真，輕松預(yù)測(cè)并最大限度減少導(dǎo)通和開關(guān)損耗，快速比較不同的器件和熱配置，并生成電路框圖和總結(jié)報(bào)告，以幫助您將整個(gè)項(xiàng)目整合在一起。

涵蓋所有需求的產(chǎn)品組合

近年來，Wolfspeed 的模塊產(chǎn)品組合已實(shí)現(xiàn)一系列重大升級(jí)。如今，它已涵蓋整個(gè)功率范圍，從低功率到高功率，應(yīng)有盡有。由于所有此類模塊均采用 Wolfspeed 行業(yè)領(lǐng)先的 SiC 技術(shù)，因此，設(shè)計(jì)者既能升級(jí)現(xiàn)有模塊，享受 SiC 解決方案的優(yōu)勢(shì)，也可以啟動(dòng)新設(shè)計(jì)，使用更小、更輕、功能更強(qiáng)的子系統(tǒng)組件。

事實(shí)上，如今的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠充分利用這一產(chǎn)品組合的主要優(yōu)勢(shì)，不僅擁有橫跨整體功率范圍的選項(xiàng)，還能獲取 Wolfspeed 的參考設(shè)計(jì)、配套硬件以及仿真和 CAD 程序。此外，Wolfspeed 還提供專門的 SiC 系統(tǒng)和電路設(shè)計(jì)專家以及獨(dú)家的生態(tài)系統(tǒng)合作關(guān)系，為設(shè)計(jì)人員提供所需的支持和靈活性，消除風(fēng)險(xiǎn)，并幫助縮短產(chǎn)品面市時(shí)間。