Les applications de puissance moyenne sont le domaine de prédilection des modules de puissance Wolfspeed WolfPACK.
Avec l'adoption croissante de l'électronique de puissance, les ingénieurs de conception sont constamment mis au défi de créer des systèmes plus efficaces que les précédents. Le choix du composant optimal pour une nouvelle conception peut souvent être un défi majeur, mais il est crucial pour respecter les spécifications du convertisseur sans coûts système inutiles. Chez Wolfspeed, nous comprenons ce défi et ajoutons régulièrement de nouveaux produits à notre portefeuille pour mieux répondre aux besoins de nos clients.
Notre objectif est de fournir une large gamme de produits que les ingénieurs applicatifs peuvent utiliser pour rendre leurs conceptions plus efficaces, robustes et configurables que celles de leurs concurrents. Avec plus de 30 ans de recherche et de développement en Carbure de Silicium (SiC), notre portefeuille actuel comprend une variété de diodes Schottky SiC, MOSFETs et modules de puissance couvrant un large éventail de besoins énergétiques. Par rapport aux transistors en silicium (Si), la capacité de transport de courant supérieure et les pertes de commutation réduites conduisent à une plus grande efficacité et densité de puissance des convertisseurs. Cela fournit finalement une solution optimale pour les convertisseurs de puissance moyenne (10 à 100 kW). Pour cette raison, Wolfspeed a récemment lancé la famille de modules de puissance WolfPACK™. Ces modules sont une solution idéale pour remplacer les convertisseurs qui nécessiteraient traditionnellement l'implémentation de dispositifs discrets en parallèle.
Modules de puissance versus transistors discrets
Dans les applications de puissance moyenne, les implémentations discrètes nécessitent généralement plusieurs dispositifs par nœud de commutation. Que ce soit en parallèle ou en intercalé, ces dispositifs supplémentaires augmentent les défis de conception liés à l'agencement, à la gestion thermique, à l'isolation, à l'interférence électromagnétique (EMI) et à la fiabilité. L'avantage clé offert par les modules de puissance est qu'ils sont conçus pour réduire la complexité de ces défis et (surtout lorsqu'ils remplacent une série de transistors discrets) peuvent considérablement réduire la charge de conception du système. La figure 1 montre conceptuellement la plage de puissance de sortie adaptée à la famille WPAC; la complexité des solutions discrètes augmente avec des niveaux de puissance au-delà de 10 kW, rendant le coût de la famille WolfPACK plus attrayant.
Figure 1 : Le module wolfspeed wolfpack est conçu pour des puissances supérieures à celles d'un MOSFET discret unique et simplifie la conception de la gestion thermique et de la disposition du système.
Défis typiques de conception discrète pour les systèmes de puissance moyenne
Lors de la conception d'un convertisseur à composants discrets, les concepteurs doivent examiner attentivement les spécifications des transistors requises (telles que la tension de blocage, le courant nominal, la résistance en état de conduction et les énergies de commutation). Le choix des dispositifs est généralement un problème de conception important et, en raison des limitations d'emballage, les dispositifs discrets limitent l'évolutivité. Cela signifie qu'une augmentation des besoins en énergie du système ou la conception d'une variante de convertisseur à sortie plus élevée nécessitera généralement des refontes substantielles. De plus, de nouveaux transistors à plus haute tension/courant seraient nécessaires avec une répétition du choix des dispositifs. De nouvelles conceptions de gestion thermique, de disposition de PCB et mécaniques seront souvent nécessaires pour s'adapter au boîtier.
Si l'on choisit d'incorporer des transistors supplémentaires en parallèle, cela présente un nouvel ensemble de défis. Par exemple, un espace supplémentaire sera nécessaire pour les nouveaux dispositifs, leur gestion thermique et les composants périphériques (tels que les pilotes de grille et les composants passifs). Des défis supplémentaires en matière de disposition seront créés, car des inductances déséquilibrées entre les transistors en parallèle peuvent entraîner des pertes plus élevées, une surtension de tension et une durée de vie réduite. En d'autres termes, accroître considérablement la puissance de sortie d'un convertisseur discret peut être aussi difficile que de concevoir un nouveau convertisseur.
Éviter les modes de défaillance courants pour les conceptions de puissance moyenne : Réduction de l'inductance parasite
La réduction de l'inductance parasite est cruciale pour la conception des convertisseurs. Les pistes de PCB, l'emballage, les connecteurs, les interfaces, les conduites et les fils contribuent tous à l'inductance, et les boucles de puissance et de commande doivent être soigneusement conçues. Particulièrement critique est l'inductance qui couple les boucles de commande et de puissance ensemble, commune aux connexions source d'alimentation et source de signal (c'est-à-dire l'inductance de source commune). Les emballages offrant une connexion Kelvin séparée sont généralement préférés car ils peuvent éliminer toute LCS externe. Bien que ces considérations aient toujours été importantes dans la conception de convertisseurs, lorsqu'on utilise le haut di/dt des transistors SiC, ces inductances jouent un rôle encore plus critique. En effet, le di/dt généré par la commutation des MOSFET induira une tension à travers les inductances parasites (VL = L × di/dt), ce qui augmente les pics de tension à la source de drainage du MOSFET. Par conséquent, la marge requise entre la tension du bus et la tension de blocage du MOSFET est directement corrélée à la vitesse de commutation et à l'inductance parasite. Étant donné que la vitesse de commutation est également corrélée aux pertes de commutation, il est beaucoup plus bénéfique de réduire l'inductance parasite plutôt que la vitesse de commutation. Ces effets s'aggravent lorsque les dispositifs sont en parallèle, car un déséquilibre de courant significatif peut se produire pendant les transitoires de commutation.1
Les implémentations de modules de puissance éliminent bon nombre de ces défis de conception, l'optimisation des boucles de puissance et de grille devient plus facile car une grande partie de l'ingénierie nécessaire est déjà réalisée au sein des modules. Cela réduit la complexité de conception des convertisseurs et simplifie les modifications de disposition. Les concepteurs peuvent également trouver des règles empiriques fiables pour la disposition des modules dans la Design Library de Wolfspeed.2
Éviter les modes de défaillance courants ou les conceptions de puissance moyenne : Gestion thermique simplifiée
Les dispositifs discrets nécessitent généralement une isolation électrique entre leur interface thermique et le système de gestion thermique. Cela est dû au fait que le dissipateur de chaleur ou la plaque froide sera mis à la terre, tandis que le composant discret sera exposé à des hautes tensions. Les modules de puissance éliminent le besoin de concevoir une isolation supplémentaire en montant les dispositifs sur une céramique appropriée avec des plans en cuivre (généralement appelés cuivre plaqué direct ou DBC). L'agencement traditionnel utilisé dans la conception des modules de puissance est ensuite de fixer ce DBC à une base métallique (ou composite), qui comprend des points de fixation pour boulonner le module sur un dissipateur de chaleur ou une plaque froide. Il faut veiller lors de la fixation de la base car une pression inégale ou une quantité insuffisante/excessive de matériau interface thermique (TIM) peut augmenter la résistance thermique entre le module et le système de gestion thermique.
Il y a deux principaux facteurs nécessaires pour un bon transfert thermique entre ces interfaces : la résistance thermique (Rth) et le coefficient de dilatation thermique (CTE).
Le Rth est un modèle de la facilité avec laquelle la chaleur est transférée d'une interface à une autre — un Rth plus élevé indique qu'une moindre quantité d'énergie thermique (ou de perte de puissance) peut être extraite de la source chaude. La valeur de la résistance thermique dépend de la surface de contact, de la conductivité thermique du matériau et de l'épaisseur de la couche. Dans un module de puissance avec plaque de base, le RJC, ou résistance thermique entre la jonction du transistor et le boîtier (plaque de base), ainsi que la résistance thermique entre le boîtier et le dissipateur thermique, doivent être pris en compte. Afin de réduire le RJC, les nouveaux modules Wolfspeed WolfPACK éliminent la plaque de base et permettent un refroidissement direct du substrat DBC. Cela permet d'augmenter le transfert de chaleur du transistor, réduisant la température de jonction de la puce pour un niveau de puissance donné (Figure 2).
Figure 2 : Comparaison entre la topologie classique à puce montée sur plaque de base (gauche) et la topologie du module sans plaque de base Wolfspeed Wolfpack (droite).3
Généralement, le CTE d'une puce SiC (4,0 10–6/K) est ajusté à celui du substrat céramique, qui est normalement composé de nitrure d'aluminium (AlN : 4,5 10–6/K) ou d'oxyde d'aluminium (Al2O3 : 8,2 10–6/K). La plaque de base, cependant, est généralement faite soit de cuivre (Cu : 16,5 10–6/K) soit d'un composite Al-SiC (8,4 10–6/K) pour des raisons mécaniques. Ce désalignement, associé à la couche de liaison rigide entre le DBC et la céramique, peut causer des tensions accrues aux joints de ces matériaux. Ces contraintes thermomécaniques agissant sur la grande interface entre le DBC et la plaque de base peuvent provoquer de la fatigue de la soudure et des fractures. Des cycles thermiques suffisants peuvent entraîner le délaminage du joint de soudure (ce qui augmente considérablement la résistance thermique) ou même fracturer le DBC céramique fragile, entraînant des défaillances du module.4,5
Le design unique sans plaque de base du Wolfspeed WolfPACK élimine ce point de défaillance mécanique en supprimant la connexion inflexible au matériau incompatible. Les boulons de fixation de la plaque de base sont remplacés par des languettes métalliques qui tirent sur le boîtier en plastique, répartissant uniformément la force sur le substrat. Comme l'interface entre le DBC et le dissipateur thermique est une graisse flexible (plutôt qu'une soudure rigide), elle peut permettre une expansion différentielle entre les matériaux sans induire de stress substantiel. En plus de l'avantage de fiabilité par rapport au soudage manuel et automatique (voir Tableau 1), ces languettes métalliques à entrée en force réduisent considérablement le coût d'assemblage des modules de puissance. Cette approche de montage simplifie la conception du système thermique car elle facilite le montage de n'importe quel nombre de modules et d'autres composants sur un dissipateur thermique ou une plaque froide unique.
| Processus | Diamètre du conducteur (mm2) | Taux de défaillance λ ref en FIT(1) | Remarques : Normes/Lignes directrices | |
|---|---|---|---|---|
| Brasure | Manuel Automatique | - | 0.5 0.05 | IPC 6102, classe 2 |
| Enfichage à pression | 0.3 à 1 | 0.005 | IEC 60352-5 | |
| Câblage pour circuit hybride | Al Au | . | 0.1 0.1 | 28 µm / bond en coin 25 µm / bond en coin |
| Enroulement | 0.05 à 0.5 | 0.25 | DIN EN 60352-1 / IEC 60352-1 CORR1 | |
| Sertissage | Manuel Automatique | 0.05 à 300 | 0.2 | DIN EN 60352-1 / IEC 60352-2 A 1+2 |
| Clips | 0.1 à 0.5 | 0.2 | DIN 41611-4 | |
| Connecteurs à perçage d'isolation | 0.05 à 1 | 0.25 | IEC 60352-3 / IEC 60352-4 | |
| Vis | 0.5 à 16 | 0.5 | DIN EN 60999-1 | |
| Bornes (force de ressort) | 0.5 à 16 | 0.5 | DIN EN 60999-1 | |
| 1) 1 FIT = 1 x 10-9 1/h; (une défaillance par 109 heures composant) | 2) Conditions d'acceptation pour PCB |
Tableau 1 : taux de défaillance pour diverses technologies de contact. (source : siemens norm sn 29500-5/éditions 2004-06 partie 5)
Comment un concepteur peut-il augmenter la puissance avec le Wolfspeed WolfPACK ?
Les capacités à haute puissance/haut courant des modules Wolfspeed WolfPACK simplifient grandement la conception de convertisseurs de puissance moyenne (jusqu'à 100 kW), la facilité des mises en œuvre les rend plus évolutifs, et le faible encombrement permet une densité de puissance plus élevée par rapport aux composants discrets et aux modules de puissance traditionnels. Les modules WolfPACK de Wolfspeed sont disponibles dans une gamme de spécifications et configurations différentes, ce qui permet le développement rapide de nombreux types de systèmes de puissance qui sont facilement construits et entretenus mais hautement fiables sur le terrain. Avec une tension drain-source (VDS) maximale nominale de 1 200 V et un courant de drain continu DC (ID) allant de 30 A à 100 A, ces modules peuvent facilement constituer les blocs de construction pour les systèmes de puissance moyenne. De plus, les modules WolfPACK de Wolfspeed sont une solution extrêmement évolutive, car l'extension d'un système par entrelacement et parallélisation est beaucoup plus simple grâce à la conception du module.
Les convertisseurs DC/DC de puissance moyenne sont nécessaires dans une myriade d'applications, y compris la recharge de VE, le transfert/stockage d'énergie solaire, et les alimentations électriques. Un convertisseur DC-DC bidirectionnel multiphase à entrelacement, par exemple, peut être réalisé en connectant un nombre arbitraire de jambes de phase de puissance en parallèle pour ajuster la capacité maximale de courant/puissance de sortie tout en réduisant l'ondulation du courant (Figure 3). Les signaux de porte pour les interrupteurs d'un convertisseur DC/DC à entrelacement triphasé sont déphasés de 120° pour l'annulation des harmoniques de basse fréquence. Un entrelacement peut être obtenu avec seulement des modifications mineures du contrôleur et du système thermique. La puissance de sortie peut atteindre 60+ kilowatts tout en restant bien en dessous de la température maximale de jonction de la puce SiC, permettant au système de fonctionner de manière fiable tout au long de sa durée de vie opérationnelle. L'entrelacement est une bonne stratégie pour éviter certains des défis du parallélisme des dispositifs, tout en améliorant les performances du système et en réduisant la taille de l'inducteur de sortie.
Figure 3 : Représentation schématique d'un convertisseur dc/dc basique entrelacé.
Cette même méthodologie d'entrelacement peut être appliquée à une variété d'architectures de convertisseurs et d'onduleurs pour augmenter de manière fiable la puissance sans compromettre les performances électriques et thermiques. Associé aux avantages de la technologie SiC et à la gestion thermique simplifiée de la famille Wolfspeed WolfPACK sans baseplate, le déploiement de familles de convertisseurs avec une large gamme de puissance de sortie n'a jamais été aussi simple !
La simplicité de la mise à l'échelle est l'une des caractéristiques définissant la famille de modules de puissance sans plaque de base Wolfspeed WolfPACK. Comme discuté précédemment, l'entrelacement ou le parallélisme des modules est un moyen d'augmenter la capacité de puissance d'un système. Cependant, l'une des façons les plus simples d'augmenter la puissance de votre système basé sur le FM3 est d'insérer maintenant le GM3 dans votre solution. Mais la mise à l'échelle ne concerne pas seulement la puissance, elle concerne les options - des options qui pourraient améliorer la performance de votre solution actuelle selon ce que vous cherchez à accomplir avec votre système évolutif.
Pour aider à comprendre quels avantages l'insertion du GM3 pourrait apporter à votre système, considérons l'onduleur typique connecté au réseau à 2 niveaux ou le système AFE montré ci-dessous avec les paramètres suivants : tension de bus de 800 VDC, tension de réseau de 480 VAC RMS ligne à ligne, une température ambiante de Tamb = 50 °C, et des inductances de ligne de L = 100 µH. Chaque bras de pont représente un module de puissance demi-pont FM3 ou GM3 Wolfspeed Wolfpack™.
Figure 4 : système onduleur relié au réseau à 2 niveaux ou AFE.
Pour cette étude, nous considérerons le CAB011M12FM3 (11 mΩ) comme notre solution de base basée sur FM3. Avec les paramètres du système définis ci-dessus et fonctionnant à une fréquence de commutation relativement élevée de 50 kHz, une puissance nominale de 75 kW peut être atteinte avant d'atteindre la température de jonction maximale de 150 °C en raison des pertes dans le semi-conducteur.
L'insertion du CAB008M12GM3 (8 mΩ) dans le même système 75 kW / 50 kHz démontre toujours une très haute efficacité du système de 98,9 %, mais réduit la température de jonction des dispositifs à seulement 114 °C. Faire fonctionner les dispositifs à cette température réduite peut améliorer la durée de vie ou la fiabilité, ou offrir une capacité accrue de surcharge et de contrainte. Alternativement, il est évident qu'il y a de la marge pour augmenter la température de jonction et ainsi la puissance nominale du système, qui dans ce cas pourrait être augmentée à 100 kW (50 kHz / Tj = 150 °C).
Des améliorations supplémentaires de performance pourraient être apportées aux systèmes précédemment discutés en insérant maintenant le CAB006M12GM3 (6 mΩ). De même, la température de jonction de fonctionnement des dispositifs pourrait être réduite pour une puissance nominale donnée, ou bien la marge de température de jonction supplémentaire peut encore être utilisée soit en augmentant la puissance nominale du système, soit en augmentant la fréquence de commutation opérationnelle. Un résumé de cette étude comparative est donné ci-dessous pour démontrer les options d'évolutivité qu'offre la plateforme GM3.
Figure 5 : Résultats de l'étude comparative démontrant l'évolutivité du gm3.
Bien qu'il soit évident que l'insertion de la plateforme GM3 plus grande pourrait augmenter la puissance nominale de votre solution basée sur FM3, comme démontré, ce n'est pas le seul avantage qu'elle pourrait apporter à votre solution évolutive. En fonction de vos objectifs de conception, diminuer la température de jonction de fonctionnement pour accroître la robustesse de votre système, ou augmenter la fréquence de commutation pour réduire la taille/coût des composants magnétiques et améliorer la bande passante de contrôle pourraient être des améliorations de performance hautement souhaitables pour votre système évolutif. Quoi qu'il en soit, la plateforme GM3 offre aux concepteurs des options pour faire évoluer facilement leur système électronique de puissance.
Figure 6 : Évoluez facilement votre système avec la plateforme gm3 wolfspeed wolfpack™.
Au-delà de l'augmentation de la taille du module ou de la zone de puce active, une autre tactique pour promouvoir l'évolutivité réside dans le choix de l'empilement de matériaux du module de puissance. Sans plaque de base, il n'y a réellement que deux degrés de liberté pour ce choix, qui contribuent tous deux de manière significative à la résistance thermique globale du module : le matériau d'interface thermique (TIM) et le matériau céramique du substrat. Comme on peut le voir sur le graphique, la couche TIM peut contribuer jusqu'à 60 % de la résistance thermique globale de jonction à dissipateur (RthJH). Bien que l'utilisateur final ait de nombreuses options en matière de sélection de TIM, il est difficile d'avoir un impact significatif sur la contribution de la couche TIM, même avec un matériau de pâte thermique très performant. L'autre degré de liberté, le substrat céramique, peut toutefois réduire considérablement la valeur globale de la résistance thermique, comme nous l'explorerons ensuite.
Figure 7 : Distribution typique de RthJH
Le substrat céramique typique pour la famille Wolfspeed WolfPACK est l'oxyde d'aluminium (Al2O3) car il offre un compromis coût-performance très intéressant qui convient bien à cette famille de modules sans plaque de base. Cependant, les clients comprennent que le nitrure d'aluminium (AlN) peut offrir des impacts de performance importants avec une augmentation de coût relativement faible. Avec une conductivité thermique 7× plus élevée par rapport à l'Al2O3, les impacts peuvent être facilement compris : réduction de la résistance thermique, diminution de Tj pour une perte donnée, amélioration de la durée de vie du PC pour des pertes données, utilisation plus élevée de la performance du SiC.
Ceci est à nouveau démontré en considérant un onduleur connecté au réseau à 2 niveaux fonctionnant à une tension de bus de 800 VDC, une tension de réseau de 480 VAC RMS de ligne à ligne, une température ambiante de Tamb = 50 °C, et des inducteurs de ligne de L = 100 µH. Comme dans l'étude de scalabilité précédente, l'utilisation d'un substrat AlN pour le 6 mΩ GM3 crée la capacité de passer à l'échelle à travers les trois variables : puissance, fréquence de commutation, et température de jonction. Cela permet des solutions pour les clients qui ont besoin de plus de capacité d'ampérage utilisable, ou, dans certains cas, de réduire la température de fonctionnement de la jonction pour améliorer la durée de vie, ou de permettre une température de dissipateur de chaleur plus élevée (réduction des coûts).
Figure 8 : Résultats de l'étude comparative démontrant l'évolutivité du gm3.
Wolfspeed WolfPACK propose un nouveau design basé sur l'historique d'investissements dans la technologie Carbure de Silicium
Le portefeuille d'énergie WolfPACK de Wolfspeed est le fruit de décennies d'investissement dans la recherche et le développement du Carbure de Silicium, associé à une conception sans plaque de base pour offrir aux OEM et aux ingénieurs concepteurs le plus grand choix afin de soutenir les cas d'utilisation dans un large éventail de segments industriels.
Une plus grande flexibilité et évolutivité pour les concepteurs est rendue possible en logeant plusieurs SiC MOSFETs à l'intérieur d'un boîtier qui offre des broches sans soudure et encliquetables pour interfacer avec un circuit imprimé externe. La famille de modules de puissance Wolfspeed WolfPACK présente des configurations de broches spécifiques à l'application, optimisées en fonction de la disposition interne des MOSFETs, telles que les configurations en demi-pont, pont complet, six-pack et buck/boost. En remplacement d'une plaque de base, le fond du boîtier Wolfspeed WolfPACK utilise un substrat céramique pour un fond de module électriquement isolé avec des onglets de montage métalliques qui utilisent la force de ressort pour s'interfacer avec le dissipateur thermique. Cette approche répartit la pression uniformément le long du fond du module pour assurer un bon contact thermique avec le dissipateur thermique tout en fournissant un lien mécanique rigide et robuste entre le dissipateur thermique, le module et le circuit imprimé.
Une densité de puissance élevée dans une petite empreinte sans base-plate, associée à la technologie SiC, permet une disposition compacte, un commutateur plus rapide et plus propre, et offre aux concepteurs une réduction de taille pouvant atteindre 25%. En plus de son avantage de densité de puissance, les modules Wolfspeed WolfPACK simplifient la disposition et les processus d'assemblage du système. Cela permet aux ingénieurs travaillant dans les applications de puissance moyenne de maximiser la densité de puissance tout en minimisant la complexité de conception.
La simplicité inhérente de Wolfspeed WolfPACK favorise un haut niveau d'évolutivité qui aide à accélérer les chaînes de production et à réduire les coûts d'assemblage des systèmes tout en offrant un grand choix. Ces nouveaux modules Wolfspeed WolfPACK sont disponibles en configurations demi-pont et six-pack entièrement avec MOSFET SiC, avec une variété d'options de résistance de module.
Modules de puissance offrant choix et fiabilité
La nouvelle famille de modules Wolfspeed WolfPACK offre un portefeuille de puissance qui couvre un large éventail d'applications pour les concepteurs d'aujourd'hui, qu'ils travaillent sur des conceptions de kilowatts ou des systèmes de mégawatts — et tout ce qui se trouve entre les deux.
Basés sur la technologie au carbure de silicium de pointe de Wolfspeed, ces modules offrent des pertes incroyablement faibles dans un format compact qui se prête extrêmement bien à l'automatisation et à la fabrication à grande échelle pour fournir une énergie propre et fiable pour les systèmes de conversion d'énergie.
Veuillez visiter www.wolfspeed.com/wolfpack pour plus d'informations et accéder aux fiches techniques, contenu des matériaux, et notes d'application.
Références
- 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., “Modélisation thermomécanique et étude de la fiabilité d'un module IGBT pour une application aéronautique,” EuroSimE 2008 - Conférence internationale sur la simulation thermique, mécanique et multiphysique et les expériences en microélectronique et micro-systèmes, Freiburg im Breisgau, 2008, pp. 1–7.
- Mauro Ciappa, « Mécanismes de défaillance sélectionnés des modules de puissance modernes », Microelectronics Reliability, Volume 42, Numéros 4–5, 2002, pp. 653–667, ISSN 0026-2714, https://doi.org/10.1016/S0026-2714(02)00042-2.
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