Las aplicaciones de potencia media son el punto ideal para los módulos de potencia Wolfspeed WolfPACK
Con la creciente adopción de la electrónica de potencia, los ingenieros de diseño enfrentan constantemente el desafío de crear sistemas más eficientes que los anteriores. La selección del componente óptimo para un nuevo diseño puede ser frecuentemente un gran desafío, pero hacerlo es fundamental para cumplir con las especificaciones del convertidor sin costos innecesarios en el sistema. En Wolfspeed, entendemos este desafío y estamos añadiendo constantemente nuevos productos a nuestro portafolio que pueden abordar mejor las necesidades de nuestros clientes.
Nuestro objetivo es proporcionar una amplia gama de productos que los ingenieros de aplicaciones puedan implementar para hacer sus diseños más eficientes, robustos y configurables que los de sus competidores. Con más de 30 años de investigación y desarrollo en Carburo de Silicio (SiC), nuestro portafolio actual incluye una variedad de diodos Schottky de SiC, MOSFETs y módulos de potencia que cubren una amplia gama de requerimientos de energía. En comparación con los transistores de Silicio (Si), la superior capacidad de corriente y las pérdidas de conmutación reducidas conducen a una mayor eficiencia del convertidor y densidad de potencia. Esto proporciona una solución óptima para convertidores de potencia media (10 a 100 kW). Debido a esto, Wolfspeed ha lanzado recientemente la familia de módulos de potencia WolfPACK™. Estos módulos son una sustitución ideal para los convertidores que tradicionalmente requerirían la implementación de dispositivos discretos en paralelo.
Módulos de potencia frente a transistores discretos
En aplicaciones de potencia media, las implementaciones discretas generalmente requieren múltiples dispositivos por nodo de conmutación. Ya sea en paralelo o intercalados, estos dispositivos adicionales aumentan aún más los retos de diseño relacionados con el diseño de la disposición, la gestión térmica, el aislamiento, la interferencia electromagnética (EMI) y la fiabilidad. La ventaja clave que ofrecen los módulos de potencia es que están diseñados para reducir la complejidad de estos desafíos y (especialmente al reemplazar una serie de transistores discretos) pueden disminuir significativamente la carga de diseño del sistema. La Figura 1 muestra conceptualmente el rango de salida de potencia adecuado para la familia WPAC; la complejidad de las soluciones discretas aumenta con niveles de potencia superiores a 10 kW, lo que hace que el costo de la familia WolfPACK sea más atractivo.
Figura 1: El módulo wolfspeed wolfpack está diseñado para niveles de potencia más allá de un único mosfet discreto y simplifica el diseño de la gestión térmica y la disposición del sistema.
Desafíos típicos de diseño discreto para sistemas de potencia media
Al diseñar un convertidor de componentes discretos, los diseñadores deben considerar cuidadosamente las especificaciones de los transistores requeridos (como el voltaje de bloqueo, la capacidad de corriente, la resistencia en estado de conducción y las energías de conmutación). La selección del dispositivo suele ser un problema de diseño significativo y, debido a las limitaciones de empaque, los dispositivos discretos limitan la escalabilidad. Esto significa que aumentar los requisitos de potencia del sistema o diseñar una variante de mayor salida de un convertidor generalmente requerirá rediseños sustanciales. Además, se necesitarían nuevos transistores de mayor voltaje/corriente, junto con una repetición de la selección de dispositivos. A menudo se requerirán nuevos diseños de gestión térmica, diseño de PCB y mecánicos para acomodar el empaque.
Si en su lugar se elige el camino de incorporar transistores adicionales en paralelo, esto presenta un nuevo conjunto de desafíos. Por ejemplo, se requerirá espacio adicional para los nuevos dispositivos, su gestión térmica y componentes periféricos (como controladores de puerta y pasivos). Se generarán desafíos adicionales en el diseño de la disposición, ya que las inductancias desequilibradas entre los transistores en paralelo pueden provocar mayores pérdidas, picos de voltaje y una vida útil reducida. En otras palabras, escalar sustancialmente la potencia de salida de un convertidor discreto puede ser tan desafiante como diseñar un nuevo convertidor.
Evitando modos de falla comunes en diseños de potencia media: Reduciendo la inductancia parásita
La reducción de la inductancia parásita es crítica para el diseño de convertidores. Las trazas de PCB, empaquetado, conectores, interfaces, terminales y cables contribuyen a la inductancia, y los bucles de potencia y compuerta deben ser diseñados cuidadosamente. Especialmente crítica es la inductancia que conecta los bucles de compuerta y potencia entre sí, común a las conexiones de la fuente de alimentación y fuente de señal (es decir, inductancia de fuente común). Los paquetes que ofrecen una conexión kelvin separada generalmente son preferidos, ya que pueden eliminar cualquier LCS externo. Si bien estas consideraciones siempre han sido importantes en el diseño de convertidores, al utilizar el alto di/dt de los transistores de SiC, estas inductancias juegan un papel aún más crítico. Esto se debe a que el di/dt generado por el cambio de MOSFET inducirá un voltaje a través de las inductancias parásitas (VL = L × di/dt), lo que aumenta los picos de voltaje en el drenador del MOSFET. Por lo tanto, el margen requerido entre el voltaje del bus y el voltaje de bloqueo del MOSFET está directamente correlacionado con la velocidad de conmutación y la inductancia parásita. Dado que la velocidad de conmutación también está correlacionada con las pérdidas de conmutación, es mucho más beneficioso reducir la inductancia parásita que la velocidad de conmutación. Estos efectos empeoran al paralelar dispositivos, ya que puede ocurrir un desequilibrio significativo de corriente durante los transitorios de conmutación.1
Las implementaciones de módulos de potencia eliminan muchos de estos desafíos de diseño, la optimización de los bucles de potencia y compuerta se vuelve más sencilla ya que gran parte de la ingeniería necesaria ya está realizada dentro de los módulos. Esto reduce la complejidad del diseño del convertidor y simplifica las modificaciones al diseño. Los diseñadores también pueden encontrar reglas confiables para el diseño de módulos en la Biblioteca de Diseño de Wolfspeed.2
Evitando modos comunes de falla en diseños de potencia media: Gestión térmica simplificada
Los dispositivos discretos generalmente requieren aislamiento de voltaje entre su interfaz térmica y el sistema de gestión térmica. Esto se debe a que el disipador de calor o la placa fría estarán conectados a tierra, mientras que el componente discreto estará expuesto a altos voltajes. Los módulos de potencia eliminan la necesidad de diseñar aislamiento adicional al montar los dispositivos en una cerámica adecuada con planos de cobre (generalmente conocida como cobre unido directamente o DBC). La estructura tradicional utilizada en el diseño de módulos de potencia consiste en unir este DBC a una base metálica (o compuesta), que incluye puntos de montaje para atornillar el módulo en un disipador de calor o placa fría. Se debe tener cuidado al montar la base, ya que la presión desigual o el material de interfaz térmica (TIM) insuficiente / excesivo pueden aumentar la resistencia térmica entre el módulo y el sistema de gestión térmica.
Hay dos factores principales necesarios para una buena transferencia térmica entre estos interfaces: resistencia térmica (Rth) y el coeficiente de expansión térmica (CTE).
El Rth es un modelo de cuán fácilmente se transfiere el calor de una interfaz a otra — un Rth más alto indica que menos energía térmica (o pérdida de potencia) puede ser extraída de la fuente de calor. El valor de la resistencia térmica depende del área de contacto, la conductividad térmica del material y el grosor de la capa. En un módulo de potencia con placa base, se debe considerar el RJC, o resistencia térmica entre la unión del transistor y la carcasa (placa base), así como la resistencia térmica entre la carcasa y el disipador de calor. Para reducir el RJC, los nuevos módulos Wolfspeed WolfPACK eliminan la placa base y permiten la refrigeración directa del sustrato DBC. Esto posibilita una mayor transferencia de calor desde el transistor, reduciendo la temperatura de la unión del chip para un nivel de potencia dado (Figura 2).
Figura 2: Comparación de la topología clásica de chip montado en placa base (izquierda) y la topología del módulo Wolfspeed Wolfpack sin placa base (derecha).3
Generalmente, el CTE de un dado de SiC (4,0 10–6/K) se ajusta al CTE del sustrato cerámico, que normalmente está compuesto de nitruro de aluminio (AlN: 4,5 10–6/K) o óxido de aluminio (Al2O3: 8,2 10–6/K). Sin embargo, la placa base suele estar hecha de cobre (Cu: 16,5 10–6/K) o de un compuesto Al-SiC (8,4 10–6/K) por razones mecánicas. Esta desalineación, junto con la capa de unión inflexible entre la DBC y la cerámica, puede provocar un aumento de tensiones en las uniones de estos materiales. Estas tensiones termomecánicas que actúan en la gran interfaz entre la DBC y la placa base pueden causar fatiga de soldadura y fracturas. Un ciclo térmico suficiente puede causar la delaminación de la unión de soldadura (lo que incrementa significativamente la resistencia térmica) o incluso fracturar la cerámica quebradiza de la DBC, llevando a fallos en el módulo.4,5
El diseño único sin placa base del Wolfspeed WolfPACK elimina este punto de falla mecánica al eliminar la conexión inflexible con el material desajustado. Los tornillos de montaje de la placa base se reemplazan por lengüetas metálicas que tiran de la carcasa de plástico, distribuyendo uniformemente la fuerza a través del sustrato. Como la interfaz entre el DBC y el disipador de calor es grasa flexible (en lugar de soldadura rígida), permite la expansión diferencial entre materiales sin inducir un estrés sustancial. Además de la ventaja de confiabilidad sobre la soldadura manual y automática (consulte la Tabla 1), estas lengüetas metálicas de ajuste por presión reducen significativamente el costo de ensamblaje para los módulos de potencia. Este enfoque de montaje simplifica el diseño del sistema térmico ya que facilita montar cualquier cantidad de módulos y otros componentes en un único disipador de calor o placa fría.
| Proceso | Diámetro del conductor (mm2) | Tasa de fallos λ ref en FIT(1) | Notas: Normas/Directrices | |
|---|---|---|---|---|
| Solder | Manual Automático | - | 0.5 0.05 | IPC 6102, clase 2 |
| Press-Fit | 0.3 a 1 | 0.005 | IEC 60352-5 | |
| Unión de hilos para circuito híbrido | Al Au | . | 0.1 0.1 | 28 µm / unión en cuña 25 µm / unión en cuña |
| Bobinado | 0.05 a 0.5 | 0.25 | DIN EN 60352-1 / IEC 60352-1 CORR1 | |
| Crimpado | Manual Automático | 0.05 a 300 | 0.2 | DIN EN 60352-1 / IEC 60352-2 A 1+2 |
| Clips | 0.1 a 0.5 | 0.2 | DIN 41611-4 | |
| Conectores de perforación de aislamiento | 0.05 a 1 | 0.25 | IEC 60352-3 / IEC 60352-4 | |
| Tornillos | 0.5 a 16 | 0.5 | DIN EN 60999-1 | |
| Terminales (fuerza de resorte) | 0.5 a 16 | 0.5 | DIN EN 60999-1 | |
| 1) 1 FIT = 1 x 10-9 1/h; (una falla por 109 horas de componente) | 2) Condiciones de aceptación para PCBs |
Tabla 1: tasas de fallos para diversas tecnologías de contacto. (fuente: siemens norm sn 29500-5/ediciones 2004-06 parte 5)
¿Cómo puede un diseñador aumentar la potencia con el Wolfspeed WolfPACK?
Las capacidades de alta potencia/alta corriente de los módulos Wolfspeed WolfPACK simplifican enormemente el diseño de convertidores de potencia media (hasta 100 kW). La facilidad de implementación los hace más escalables, y su huella pequeña permite una mayor densidad de potencia en comparación con componentes discretos y módulos de potencia tradicionales. Los módulos WolfPACK de Wolfspeed están disponibles en una gama de diferentes especificaciones y configuraciones, lo que permite un desarrollo rápido de muchos tipos de sistemas de potencia que son fácilmente construidos y mantenidos, pero altamente confiables en el campo. Con un voltaje máximo entre fuente y drenaje (VDS) de 1,200 V y una corriente de drenaje continua en CC (ID) que oscila entre 30 A y 100 A, estos módulos pueden formar fácilmente los bloques de construcción para sistemas de potencia media. Además, los módulos WolfPACK de Wolfspeed son una solución extremadamente escalable, ya que la expansión de un sistema mediante intercalado y paralelización es mucho más sencilla debido al diseño del módulo.
Los convertidores DC/DC de potencia media son necesarios en una multitud de aplicaciones, incluyendo la carga de vehículos eléctricos, la transferencia/almacenamiento de energía solar y las fuentes de poder. Por ejemplo, un convertidor DC-to-DC bidireccional y entrelazado multiphase se puede lograr conectando un número arbitrario de fases de potencia en paralelo para escalar la capacidad máxima de corriente/potencia de salida mientras se reduce el rizado de corriente (Figura 3). Las señales de compuerta para los interruptores de un convertidor DC/DC entrelazado de tres fases están desfasadas en 120° para la cancelación de armónicos de frecuencia baja. El entrelazado se puede lograr con solo alteraciones menores al controlador y al sistema térmico. La potencia de salida puede alcanzar los 60+ kilovatios y aun estar bien por debajo de la temperatura máxima de unión del chip de SiC, permitiendo que el sistema funcione de manera confiable durante su vida útil operativa. El entrelazado es una buena estrategia para evitar algunos de los desafíos al poner dispositivos en paralelo, al tiempo que también mejora el rendimiento del sistema y reduce el tamaño del inductor de salida.
Figura 3: Representación esquemática del convertidor básico de corriente continua intercalado.
Este mismo método de entrelazado puede aplicarse a una variedad de arquitecturas de convertidores e inversores para escalar la potencia de manera confiable sin sacrificar el rendimiento eléctrico y térmico. Junto con los beneficios de la tecnología SiC y la gestión térmica simplificada de la familia Wolfspeed WolfPACK sin baseplate, ¡la implementación de familias de convertidores con un amplio rango de potencia de salida nunca ha sido más fácil!
La escalabilidad simple es una de las características definitorias de la familia Wolfspeed WolfPACK de módulos de potencia sin base. Como se mencionó anteriormente, intercalar o paralelizar módulos es una forma de aumentar la capacidad de potencia de un sistema. Sin embargo, una de las maneras más sencillas de aumentar la potencia nominal de su sistema basado en FM3 es tan simple como ahora insertar el GM3 en su solución. Pero la escalabilidad no se trata solo de potencia, sino también de opciones: opciones que podrían mejorar el rendimiento de su solución actual dependiendo de lo que esté intentando lograr con su sistema escalable.
Para ayudar a comprender los beneficios que podría proporcionar la inserción del GM3 dentro de su sistema, consideremos el típico inversor conectado a la red de 2 niveles o sistema AFE mostrado a continuación con los siguientes parámetros: tensión de bus de 800 VDC, tensión RMS de la red de línea a línea de 480 VAC, una temperatura ambiente de Tamb = 50 °C, y inductores de línea de L = 100 µH. Cada pierna del puente representa un módulo de potencia de medio puente FM3 o GM3 Wolfspeed Wolfpack™.
Figura 4: Inversor conectado a la red de 2 niveles o sistema AFE.
Para este estudio, consideraremos el CAB011M12FM3 (11 mΩ) como nuestra solución basada en FM3 de referencia. Con los parámetros del sistema definidos anteriormente y operando a una frecuencia de conmutación relativamente alta de 50 kHz, se puede alcanzar una potencia nominal de 75 kW antes de llegar a la temperatura máxima de unión de 150 °C debido a las pérdidas del semiconductor.
Insertar el CAB008M12GM3 (8 mΩ) en el mismo sistema de 75 kW / 50 kHz sigue demostrando una eficiencia del sistema muy alta del 98.9%, pero reduce la temperatura de unión de los dispositivos a solo 114 °C. Operar los dispositivos a esta temperatura reducida puede mejorar la vida útil o la confiabilidad, o proporcionar mayor margen de seguridad y capacidad de sobrecarga. Alternativamente, es evidente que hay espacio para aumentar la temperatura de unión y, por tanto, la potencia nominal del sistema, que en este caso podría incrementarse a 100 kW (50 kHz / Tj = 150 °C).
Se podrían realizar más mejoras de rendimiento en comparación con los sistemas previamente discutidos, insertando ahora el CAB006M12GM3 (6 mΩ). De manera similar, la temperatura de unión operativa de los dispositivos podría reducirse para una determinada clasificación de potencia, o bien el margen adicional de temperatura de unión podría aprovecharse aumentando la clasificación de potencia del sistema o incluso incrementando la frecuencia de conmutación operativa. A continuación se presenta un resumen de este estudio comparativo para demostrar las opciones de escalabilidad que proporciona la plataforma GM3.
Figura 5: Resultados del estudio comparativo que demuestran la escalabilidad del gm3.
Aunque es evidente que insertar la plataforma GM3 más grande podría aumentar la clasificación de potencia de su solución basada en FM3, como se ha demostrado, este no es el único beneficio que podría proporcionar a su solución escalable. Dependiendo de los objetivos de su diseño, disminuir la temperatura de unión operativa para aumentar la robustez de su sistema, o aumentar la frecuencia de conmutación para reducir el tamaño/costo de los componentes magnéticos y mejorar el ancho de banda de control, ambos podrían ser mejoras de rendimiento altamente deseables para su sistema escalable. En cualquier caso, la plataforma GM3 ofrece a los diseñadores opciones para escalar fácilmente su sistema electrónico de potencia.
Figura 6: Escale fácilmente su sistema con la plataforma gm3 wolfspeed wolfpack™.
Más allá de aumentar el tamaño del módulo o el área activa del dado, otra táctica para promover la escalabilidad viene con la selección del apilamiento de materiales del módulo de potencia. Sin una base, realmente solo hay dos grados de libertad para esta selección, los cuales contribuyen significativamente a la resistencia térmica global del módulo: el material de interfaz térmica (TIM) y el material cerámico del sustrato. Como se observa en la tabla, la capa de TIM puede contribuir hasta un 60% de la resistencia térmica global entre la unión y el disipador (RthJH). Aunque el usuario final tiene muchas opciones en cuanto a la selección de TIM, es difícil impactar significativamente la contribución de la capa de TIM, incluso con un material de pasta térmica de muy alto rendimiento. Sin embargo, el otro grado de libertad, el sustrato cerámico, puede disminuir drásticamente el valor de resistencia térmica total, como exploraremos a continuación.
Figura 7: Distribución típica de RthJH
El sustrato cerámico típico para la familia Wolfspeed WolfPACK es el óxido de aluminio (Al2O3) ya que ofrece una muy buena relación costo-rendimiento que se adapta perfectamente a esta familia de módulos sin base. Sin embargo, los clientes comprenden que el nitruro de aluminio (AlN) puede ofrecer un gran impacto en el rendimiento con un aumento de costo relativamente bajo. Con una conductividad térmica 7× superior en comparación con el Al2O3, los impactos se entienden fácilmente: reduce la resistencia térmica, disminuye Tj para pérdidas dadas, mejora la vida útil de PC para pérdidas dadas, permite una mayor utilización del rendimiento de SiC.
Esto se demuestra una vez más considerando un inversor conectado a la red de 2 niveles que opera a un voltaje de bus de 800 VDC , voltaje de red RMS línea-a-línea de 480 VAC , una temperatura ambiente de Tamb = 50 °C, y bobinas de línea de L = 100 µH. Al igual que en el estudio de escalabilidad anterior, la utilización de un sustrato de AlN para los 6 mΩ GM3 crea la capacidad de escalar en las tres variables: potencia, frecuencia de conmutación y temperatura de unión. Esto permite soluciones para los clientes que necesitan mayor capacidad de amperaje utilizable, o en algunos casos de uso, reducir la temperatura de unión operativa para mejorar la vida útil, o permitir una temperatura de disipador de calor más alta (reducción de costos).
Figura 8: Resultados del estudio comparativo que demuestran la escalabilidad del gm3.
Wolfspeed WolfPACK ofrece un nuevo diseño basado en la historia de la inversión en tecnología de Carburo de Silicio
La cartera de potencia WolfPACK de Wolfspeed es el resultado de décadas de inversión en investigación y desarrollo de Carburo de Silicio, combinado con un diseño sin placa base para ofrecer a los OEMs y a los ingenieros de diseño la mayor variedad de opciones para respaldar casos de uso en una amplia gama de segmentos de industria.
Una mayor flexibilidad y escalabilidad para los diseñadores es posible gracias a la inclusión de varios MOSFETs de SiC dentro de un contenedor que proporciona pines de ajuste por presión, sin necesidad de soldadura, para conectarse con una PCB externa. La familia de módulos de potencia Wolfspeed WolfPACK cuenta con configuraciones de pines específicas para la aplicación, optimizadas según la disposición interna de los MOSFETs, como diseños de medio puente, puente completo, seis-pack y buck/boost. En lugar de una placa base, la parte inferior del contenedor Wolfspeed WolfPACK utiliza un sustrato cerámico para proporcionar un fondo de módulo eléctricamente aislado con pestañas metálicas de montaje que emplean fuerza por resorte para conectarse con el disipador de calor. Este enfoque distribuye la presión uniformemente a lo largo de la parte inferior del módulo para asegurar un buen contacto térmico con el disipador de calor mientras proporciona un enlace mecánico rígido y robusto entre el disipador de calor, el módulo y la PCB.
Alta densidad de potencia en una huella pequeña sin placa base, combinada con tecnología SiC, permite un diseño compacto, un conmutación más rápida y limpia, y brinda a los diseñadores una reducción de hasta un 25% en el tamaño. Además de su ventaja en densidad de potencia, los módulos Wolfspeed WolfPACK optimizan el diseño del sistema y los procesos de ensamblaje. Esto ofrece a los ingenieros que trabajan en aplicaciones de potencia media la capacidad de maximizar la densidad de potencia mientras minimizan la complejidad del diseño.
La simplicidad inherente de Wolfspeed WolfPACK admite un alto nivel de escalabilidad que ayuda a acelerar las líneas de producción y reduce los costos de ensamblaje del sistema, además de ofrecer una gran variedad de opciones. Estos nuevos módulos Wolfspeed WolfPACK vienen en configuraciones de medio puente y seis paquetes de MOSFET de SiC, con una variedad de opciones de resistencia de módulo.
Módulos de potencia que ofrecen opciones y fiabilidad
La nueva familia de módulos Wolfspeed WolfPACK ofrece un portafolio de potencia que abarca un amplio espectro de aplicaciones para los diseñadores de hoy, ya sea que estén trabajando en diseños de un solo kilovatio o sistemas de megavatios, y todo lo demás.
Construido sobre la base de la tecnología de Carburo de Silicio líder en la industria de Wolfspeed, estos módulos ofrecen pérdidas increíblemente bajas en un paquete compacto que se adapta extremadamente bien a la automatización y la fabricación a gran escala para proporcionar energía limpia y confiable para sistemas de conversión de energía.
Por favor, visite www.wolfspeed.com/wolfpack para obtener más información y acceso a hojas de datos, contenido de materiales y notas de aplicación.
Referencias
- https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/demystifying-pcb-layout-methodologies-for-sic-gate-drivers
- https://www.wolfspeed.com/downloads/dl/file/id/1971/product/745/cpwr_an45_wolfspeed_wolfpack_trade_application_note.pdf
- https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/enabling-system-upgrades-with-sic-technology-using-industry-standard-base-plate-less-packaging
- A. Zeanh et al., “Modelado termomecánico y estudio de fiabilidad de un módulo IGBT para una aplicación aeronáutica,” EuroSimE 2008 - Conferencia Internacional sobre Simulación y Experimentos Térmicos, Mecánicos y Multifísicos en Microelectrónica y Microsistemas, Friburgo de Brisgovia, 2008, pp. 1–7.
- Mauro Ciappa, “Mecanismos de falla seleccionados de módulos de potencia modernos,” Microelectronics Reliability, Volumen 42, Números 4–5, 2002, pp. 653–667, ISSN 0026-2714, https://doi.org/10.1016/S0026-2714(02)00042-2.
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