碳化硅 (SiC) 是一種寬帶隙半導體，近年來已成功應用于多種電源應用，與基于硅技術的傳統(tǒng)組件相比，表現(xiàn)出卓越的品質(zhì)。基于 SiC 的功率分立器件具有相關特性，包括高開關頻率和工作溫度、低傳導損耗、高可靠性和穩(wěn)健性以及改進的熱管理。由于這些特性，在電源電路中使用這些組件可以顯著提高效率和功率密度，從而降低解決方案的成本和尺寸。

WolfPACK 是 Wolfspeed 最近向市場推出的功率模塊系列，是希望提高電路效率和功率密度同時保持非常小的占位面積的設計人員的選擇。Wolfspeed WolfPACK 模塊提供兩個半橋和兩個六組配置，在非常小的空間內(nèi)集成了適用于中等功率 (10 – 100 kW) 拓撲的SiC MOSFET。

Wolfspeed 的 WolfPACK 系列

WolfPACK 系列模塊為中等功率應用提供插入式解決方案，它們能夠簡化 PCB 布局和印刷電路板上的模塊組裝操作。WolfPACK 模塊占用 PCB 的小面積，提供高效率和功率密度，并降低應用的復雜性和重量。衍生的好處包括更低的維護成本（一個模塊取代 N 個分立元件）、提高可靠性和耐用性。

設計人員可以利用集成的 SiC 來提高許多應用中的功率級效率，例如電動汽車 (EV) 牽引驅(qū)動、工業(yè)電源、電網(wǎng)基礎設施、太陽能和可再生能源以及感應加熱/焊接應用。Wolfspeed WolfPACK 模塊的封裝也是現(xiàn)有硅基模塊的引腳兼容替代品，開啟了插入式系統(tǒng)更新的可能性。圖 1 顯示了 Wolfspeed WolfPACK FM3 模塊的封裝：一個非常緊湊的組件，帶有 PressFIT 引腳，可提供簡化的集成和高度的靈活性。

圖 1：WolfPACK FM3 模塊包

碳化硅的好處

碳化硅是一種寬帶隙 (WBG) 半導體，能夠克服硅提供的許多限制，尤其是在涉及高電壓和電流的電源應用中。低傳導損耗，加上在更高開關頻率（數(shù)百千赫茲）下工作的能力，使這種材料非常節(jié)能。能夠承受非常高的工作溫度，高于大多數(shù)基于硅的功率分立器件（其結(jié)溫 Tj 約為 150°C）所能承受的溫度，顯著改善了熱管理，減少或消除了對昂貴且龐大的熱量的需求散熱系統(tǒng)，例如散熱器。

高溫下效率的提高使基于 SiC 的組件更加可靠，為改造眾多電源應用提供了一種選擇，從而延長了它們的使用壽命。改進的熱管理還為實現(xiàn)更高功率密度、減少占地面積和組件重量的制造工藝鋪平了道路。圖 2 顯示了電源應用中使用的一些主要半導體提供的性能之間的比較，作為不同擊穿電壓值的函數(shù)。對圖表的檢查顯示了碳化硅如何成為管理涉及高開關頻率和高電壓的應用的最合適的材料，尤其是當高于約 600V 時，氮化鎵提供的限制之一，另一種 WBG 半導體能夠提供完美的表現(xiàn)。

圖 2：某些半導體的性能與擊穿電壓圖

具有高擊穿電壓的特性非常重要，因為它的值與飽和狀態(tài)下的漏極和源極之間的電阻或RDS（on）成反比，因此它非常低（大約幾十歐姆）。通過降低電阻，部件產(chǎn)生的能量損失和熱量減少，從而提高效率。SiC MOSFET 的擊穿電壓和 RDS (on) 參數(shù)優(yōu)于傳統(tǒng)硅基器件提供的參數(shù)，這對電源電路設計人員來說是一個巨大的優(yōu)勢。

圖 3 中的圖表提供了一個示例，其中將 WolfPACK CAB011M12FM3 模塊（如圖 1 所示）的總開關能量與第三方產(chǎn)品的總開關能量進行了比較（V DS =600V，T J = 150?C） . 還可以觀察到，F(xiàn)M3 模塊在器件電流較高時在開關能量（越低越好）方面具有優(yōu)勢。在此比較中，R G選擇由將設備過沖保持在制造商推薦的工作區(qū)域內(nèi)所允許的最小值決定。雖然比電阻不同，但測量的 dv/dt（更重要的是過沖）在設備之間匹配（并且兩個測試使用相同的電源 PCB 和計量以確保公平比較）。

圖 3：CAB011M12FM3 與同類器件的效率對比

CAB011M12FM3 是半橋內(nèi)部配置的模塊，V DS =1200V，RDS (on) = 12mOhm（在虛擬結(jié)溫變化時具有高穩(wěn)定性，T VJ），總重量僅為 21 克。圖 4 顯示了模塊的內(nèi)部拓撲（半橋），其中包括一個用于虛擬結(jié)溫測量的負溫度系數(shù) (NTC) 電阻器。

圖 4：WolfPACK CAB011M12FM3 模塊等效圖

這些模塊最具創(chuàng)新性和當前的應用是電動汽車充電器，其中 WolfPACK 模塊可用于升級和比較現(xiàn)有高功率解決方案的性能。基于使用高直流電壓的電動汽車快速和超快速充電電路，在可比成本下，整體效率提高 1%，功率密度增加 35%。此外，減少或消除冷卻系統(tǒng)允許設計更小、更便宜的機械外殼。在當前基于 IGBT 開關晶體管的電源應用中，將傳統(tǒng)的硅二極管替換為 Wolfspeed 碳化硅肖特基二極管，可以進一步降低開關損耗，高達 80%。

WolfPACK 系列的一些特點

圖 5：WolfPACK 模塊與分立解決方案的堆疊對比

至于封裝，由于與 PCB 完美的電氣、熱學和機械連接，壓入式引腳的存在確保了非常高的可靠性。從圖 4 的框圖中可以看出，電源模塊還集成了一個 NTC，這對于執(zhí)行精確的溫度監(jiān)控特別有用。WolfPACK 系列模塊可用于單個和多個配置，其中可以輕松添加更多模塊以適應更大的功率要求。在任何一種情況下，模塊設計和與 PCB 的接口都可以輕松使用重疊平面，從而大大降低電感并實現(xiàn)非常快速的切換。

為了促進電源模塊和最終應用的研究和評估階段，Wolfspeed 為設計人員提供了 FM3 半橋評估套件，可以評估和優(yōu)化開關性能通過精確測量開關能量和損耗（EON、EOFF、ERR）。以完全類似的方式，F(xiàn)M3 六件式評估套件允許您使用具有 SiC 六件式 MOSFET 內(nèi)部配置的模塊執(zhí)行相同類型的評估和比較，如圖 6 所示。

圖 6：WolfPACK CCB021M12FM3 六塊裝模塊等效圖

審核編輯：湯梓紅