Le applicazioni a media potenza sono il punto di forza dei moduli di potenza Wolfspeed WolfPACK.

Il nostro obiettivo è fornire una vasta gamma di prodotti che gli ingegneri applicativi possano utilizzare per rendere i loro progetti più efficienti, robusti e configurabili rispetto a quelli dei loro concorrenti. Con oltre 30 anni di ricerca e sviluppo sul Carburo di Silicio (SiC), il nostro portfolio attuale include una varietà di diodi Schottky SiC, MOSFET e moduli di potenza che coprono un'ampia gamma di requisiti di potenza. Rispetto ai transistor in Silicio (Si), la capacità di corrente superiore e le perdite di commutazione ridotte portano a una maggiore efficienza dei convertitori e a una maggiore densità di potenza. Questo fornisce, in definitiva, una soluzione ottimale per i convertitori di potenza media (da 10 a 100 kW). Per questo motivo, Wolfspeed ha recentemente lanciato la famiglia di moduli di potenza WolfPACK™. Questi moduli sono una soluzione ideale per sostituire i convertitori che tradizionalmente richiederebbero l'implementazione di dispositivi discreti in parallelo.

Moduli di potenza versus transistor discreti

Nei casi di applicazioni a media potenza, le implementazioni discrete generalmente richiedono più dispositivi per nodo di commutazione. Sia in parallelo che in configurazione interleaved, questi dispositivi aggiuntivi aumentano ulteriormente le sfide progettuali relative al layout, alla gestione termica, all'isolamento, alle interferenze elettromagnetiche (EMI) e all'affidabilità. Il principale vantaggio offerto dai moduli di potenza è che sono progettati per ridurre la complessità di queste sfide e, soprattutto quando sostituiscono un array di transistor discreti, possono ridurre significativamente il carico progettuale del sistema. La Figura 1 mostra concettualmente l'intervallo di potenza di uscita adatto alla famiglia WPAC; la complessità delle soluzioni discrete aumenta con livelli di potenza superiori a 10 kW, rendendo i costi della famiglia WolfPACK più vantaggiosi.

Sfide tipiche di progettazione discreta per sistemi di potenza media

Quando si progetta un convertitore a componenti discreti, i progettisti devono considerare attentamente le specifiche dei transistor necessarie (come tensione di blocco, capacità di corrente, resistenza nello stato di conduzione e energie di commutazione). La selezione dei dispositivi rappresenta tipicamente un problema di progettazione significativo e, a causa delle limitazioni di packaging, i dispositivi discreti limitano la scalabilità. Ciò significa che aumentare i requisiti di potenza del sistema o progettare una variante del convertitore con un'uscita superiore richiederà generalmente sostanziali ridisegni. Inoltre, sarebbero necessari nuovi transistor con una tensione/corrente superiore, con la conseguente ripetizione del processo di selezione dei dispositivi. Nuove soluzioni per la gestione termica, il layout del PCB e la progettazione meccanica saranno spesso necessarie per adattarsi al nuovo package.

Se invece si sceglie di seguire il percorso di incorporare transistor aggiuntivi in parallelo, questo comporta una nuova serie di sfide. Ad esempio, sarà necessario più spazio per i nuovi dispositivi, la loro gestione termica e i componenti periferici (come i driver di gate e i componenti passivi). Si creeranno ulteriori sfide di layout, poiché le induttanze sbilanciate tra i transistor in parallelo possono portare a perdite più elevate, sovratensioni e riduzione della durata. In altre parole, aumentare sostanzialmente la potenza di uscita di un convertitore discreto può risultare complesso quanto progettare un nuovo convertitore.

Evitare i comuni modi di guasto per progetti di potenza media: Ridurre l'induttanza parassita

La riduzione dell'induttanza parassita è cruciale nella progettazione di convertitori. Le tracce del PCB, il packaging, i connettori, le interfacce, i terminali e i fili contribuiscono tutti all'induttanza, e i circuiti di potenza e di comando devono essere progettati con attenzione. Particolarmente critica è l'induttanza che accoppia insieme i circuiti di comando e di potenza, comune alle connessioni della sorgente di potenza e della sorgente di segnale (ad esempio l'induttanza di sorgente comune). I package che offrono una connessione Kelvin separata sono generalmente preferiti, poiché possono eliminare qualsiasi _LCS esterno. Sebbene queste considerazioni siano sempre state importanti nella progettazione di convertitori, quando si utilizza l'elevato di/dt dei transistor SiC, queste induttanze giocano un ruolo ancora più critico. Questo accade perché il di/dt generato dalla commutazione del MOSFET induce una tensione attraverso le induttanze parassite (V_L = L × di/dt), aumentando i picchi di tensione sul drain del MOSFET. Pertanto, il margine richiesto tra la tensione sul bus e la tensione di blocco del MOSFET è direttamente correlato alla velocità di commutazione e all'induttanza parassita. Poiché la velocità di commutazione è anche correlata alle perdite di commutazione, è molto più vantaggioso ridurre l'induttanza parassita piuttosto che la velocità di commutazione. Questi effetti peggiorano quando si mettono in parallelo i dispositivi, poiché si possono verificare significativi squilibri di corrente durante i transitori di commutazione.¹

Le implementazioni dei moduli di potenza eliminano molte di queste sfide progettuali, rendendo più semplice l'ottimizzazione dei circuiti di potenza e di gate, poiché gran parte dell'ingegneria necessaria è già integrata nei moduli. Questo riduce la complessità del progetto del convertitore e semplifica le modifiche al layout. I progettisti possono inoltre trovare regole pratiche affidabili per il layout dei moduli nella Design Library di Wolfspeed.²

Evitare le modalità di guasto comuni o i progetti a media potenza: Gestione termica semplificata

I dispositivi discreti richiedono generalmente un isolamento di tensione tra la loro interfaccia termica e il sistema di gestione termica. Questo perché il dissipatore di calore o la piastra fredda saranno collegati a terra, mentre il componente discreto sarà esposto a tensioni elevate. I moduli di potenza eliminano la necessità di progettare un isolamento aggiuntivo montando i dispositivi su un materiale ceramico adatto con strati di rame (generalmente chiamato rame direttamente collegato o DBC). La configurazione tradizionale utilizzata nella progettazione dei moduli di potenza prevede quindi di attaccare questo DBC a una base metallica (o composita), che include punti di montaggio per fissare il modulo a un dissipatore di calore o a una piastra fredda. Bisogna prestare attenzione durante il montaggio della base, poiché una pressione non uniforme o una quantità insufficiente/eccessiva di materiale di interfaccia termica (TIM) possono aumentare la resistenza termica tra il modulo e il sistema di gestione termica.

Ci sono due fattori principali necessari per un buon trasferimento termico tra queste interfacce: la resistenza termica (R_th) e il coefficiente di espansione termica (CTE).

Il R_th è un modello di quanto facilmente il calore viene trasferito da un'interfaccia all'altra — un R_th più alto indica che è possibile estrarre meno energia termica (o perdita di potenza) dalla sorgente di calore. Il valore della resistenza termica dipende dall'area di contatto, dalla conducibilità termica del materiale e dallo spessore dello strato. In un modulo di potenza con baseplate, devono essere considerati il R_JC, ovvero la resistenza termica tra la giunzione del transistor e il case (baseplate), così come la resistenza termica tra il case e il dissipatore. Per ridurre il R_JC, i nuovi moduli Wolfspeed WolfPACK eliminano il baseplate e consentono il raffreddamento diretto del substrato DBC. Questo permette di aumentare il trasferimento di calore dal transistor, riducendo la temperatura di giunzione del chip per un determinato livello di potenza (Figura 2).

Tipicamente, il CTE di un die in SiC (4,0 10^–6/K) è abbinato al CTE del substrato ceramico, che è normalmente composto da nitruro di alluminio (AlN: 4,5 10^–6/K) o ossido di alluminio (Al2O3: 8,2 10^–6/K). La piastra di base, tuttavia, è generalmente realizzata in rame (Cu: 16,5 10^–6/K) o in un composito Al-SiC (8,4 10^–6/K) per motivi meccanici. Questa discrepanza, combinata con lo strato adesivo rigido tra il DBC e il ceramico, può causare un aumento delle sollecitazioni nei giunti di questi materiali. Queste sollecitazioni termomeccaniche che agiscono sulla grande interfaccia tra il DBC e la piastra di base possono causare affaticamento della saldatura e fratture. Un sufficiente numero di cicli termici può causare delaminazione del giunto saldato (che aumenta in modo significativo la resistenza termica) o persino fratture nel fragile DBC ceramico, portando a guasti del modulo.^4,5

Il design unico e senza baseplate del Wolfspeed WolfPACK elimina questo punto di guasto meccanico eliminando la connessione rigida al materiale incompatibile. I bulloni di montaggio del baseplate sono sostituiti da linguette metalliche che si agganciano alla struttura in plastica, distribuendo uniformemente la forza sul substrato. Poiché l'interfaccia tra DBC e dissipatore di calore è costituita da grasso flessibile (anziché saldatura rigida), consente l'espansione differenziale tra i materiali senza indurre stress significativo. Oltre al vantaggio in termini di affidabilità rispetto alla saldatura manuale e automatica (fare riferimento alla Tabella 1), queste linguette metalliche a pressione riducono notevolmente i costi di assemblaggio per i moduli di potenza. Questo approccio di montaggio semplifica il design del sistema termico, facilitando il montaggio di un qualsiasi numero di moduli e altri componenti su un unico dissipatore di calore o cold-plate.

Come può un progettista aumentare la potenza con il Wolfspeed WolfPACK?

Le capacità di alta potenza/alta corrente dei moduli Wolfspeed WolfPACK semplificano notevolmente la progettazione di convertitori di potenza media (fino a 100 kW); la facilità di implementazione li rende più scalabili e il loro ingombro ridotto consente una maggiore densità di potenza rispetto ai componenti discreti e ai moduli di potenza tradizionali. I moduli Wolfspeed WolfPACK sono disponibili in una gamma di specifiche e configurazioni differenti, consentendo uno sviluppo rapido di numerosi tipi di sistemi di potenza, facili da costruire e mantenere ma altamente affidabili sul campo. Con una tensione massima nominale drain-source (V_DS) di 1.200 V e una corrente continua del drain (I_D) che varia da 30 A fino a 100 A, questi moduli possono facilmente costituire i mattoni fondamentali per sistemi di potenza media. Inoltre, i moduli Wolfspeed WolfPACK rappresentano una soluzione estremamente scalabile, poiché espandere un sistema attraverso tecniche di interleaving e paralleling è molto più semplice grazie al design del modulo.

I convertitori DC/DC di media potenza sono necessari in una miriade di applicazioni, tra cui la ricarica di veicoli elettrici (EV), il trasferimento/immagazzinamento di energia solare e gli alimentatori. Ad esempio, un convertitore DC/DC bidirezionale interleaved a più fasi può essere realizzato collegando in parallelo un numero arbitrario di fasi di potenza per scalare la capacità massima di corrente/potenza in uscita riducendo al contempo il ripple di corrente (Figura 3). I segnali di gate per gli interruttori di un convertitore DC/DC interleaved a tre fasi sono sfasati di 120° per l'annullamento degli armonici a bassa frequenza. L’interleaving può essere ottenuto con solo minime modifiche al controller e al sistema termico. La potenza in uscita può raggiungere valori superiori a 60 kilowatt rimanendo comunque ben al di sotto della temperatura massima di giunzione del die in SiC, permettendo al sistema di funzionare in modo affidabile per tutta la sua vita operativa. L'interleaving è una buona strategia per evitare alcune delle sfide associate al collegamento in parallelo dei dispositivi, migliorando al contempo le prestazioni del sistema e riducendo la dimensione dell'induttore di uscita.

Lo stesso metodo di interleaving può essere applicato a una varietà di architetture di convertitori e inverter per aumentare in modo affidabile la potenza senza compromettere le prestazioni elettriche e termiche. Abbinato ai vantaggi della tecnologia SiC e alla gestione termica semplificata della famiglia Wolfspeed WolfPACK senza baseplate, il deployment di famiglie di convertitori con un'ampia gamma di potenza in uscita non è mai stato così semplice!

La semplice scalabilità è una delle caratteristiche distintive della famiglia Wolfspeed WolfPACK di moduli di potenza senza baseplate. Come discusso in precedenza, l'interleaving o il collegamento in parallelo dei moduli è un modo per aumentare la capacità di potenza di un sistema. Tuttavia, uno dei modi più semplici per incrementare il livello di potenza del tuo sistema basato su FM3 è altrettanto facile quanto inserire ora il GM3 nella tua soluzione. Ma la scalabilità non riguarda solo la potenza, bensì le opzioni – opzioni che potrebbero migliorare le prestazioni della tua soluzione attuale, a seconda di ciò che stai cercando di ottenere con il tuo sistema scalabile.

Per aiutare a comprendere i benefici che l'inserimento del GM3 potrebbe fornire all'interno del tuo sistema, consideriamo il tipico sistema inverter grid-tied a 2 livelli o sistema AFE mostrato di seguito con i seguenti parametri: tensione del bus 800 V_DC, tensione RMS linea-linea della rete 480 V_AC, una temperatura ambiente di T_amb = 50 °C e induttori di linea di L = 100 µH. Ogni ramo del ponte rappresenta un modulo di potenza FM3 o GM3 Wolfspeed Wolfpack™.

Per questo studio, considereremo il CAB011M12FM3 (11 mΩ) come la nostra soluzione di riferimento basata su FM3. Con i parametri del sistema definiti sopra e operando a una frequenza di commutazione relativamente alta di 50 kHz, è possibile raggiungere una potenza nominale di 75 kW prima di raggiungere la temperatura massima di giunzione di 150 °C a causa delle perdite del semiconduttore.

Inserendo il CAB008M12GM3 (8 mΩ) nello stesso sistema da 75 kW / 50 kHz, si dimostra ancora una volta un'efficienza di sistema molto elevata del 98,9%, ma si riduce la temperatura di giunzione dei dispositivi a soli 114 °C. Operare i dispositivi a questa temperatura ridotta può migliorare la durata o l'affidabilità, oppure offrire maggiore margine di sicurezza e capacità di sovraccarico. In alternativa, è evidente che c'è spazio per aumentare la temperatura di giunzione e, quindi, la potenza nominale del sistema, che in questo caso potrebbe essere aumentata a 100 kW (50 kHz / Tj = 150 °C).

Ulteriori miglioramenti delle prestazioni potrebbero essere apportati rispetto ai sistemi precedentemente discussi inserendo ora il CAB006M12GM3 (6 mΩ). Allo stesso modo, la temperatura di giunzione operativa dei dispositivi potrebbe essere ridotta per un determinato valore di potenza, oppure il margine aggiuntivo di temperatura di giunzione potrebbe essere ulteriormente utilizzato aumentando la potenza nominale del sistema o, addirittura, aumentando la frequenza di commutazione operativa. Di seguito viene fornito un riepilogo di questo studio comparativo per dimostrare le opzioni di scalabilità offerte dalla piattaforma GM3.

Sebbene sia evidente che l'inserimento della piattaforma GM3 più grande possa aumentare la potenza nominale della tua soluzione basata su FM3, come dimostrato, questo non è l'unico vantaggio che potrebbe offrire alla tua soluzione scalabile. A seconda dei tuoi obiettivi di progettazione, ridurre la temperatura di giunzione operativa per aumentare la robustezza del tuo sistema o aumentare la frequenza di commutazione per ridurre la dimensione/costo dei componenti magnetici e migliorare la larghezza di banda del controllo potrebbero entrambi rappresentare miglioramenti delle prestazioni altamente desiderabili per il tuo sistema scalabile. In ogni caso, la piattaforma GM3 offre ai progettisti opzioni per scalare facilmente il loro sistema di elettronica di potenza.

Oltre ad aumentare le dimensioni del modulo o l'area attiva del die, un'altra tattica per favorire la scalabilità riguarda la scelta dei materiali per la configurazione del modulo di potenza. Senza baseplate, ci sono veramente solo due gradi di libertà per questa scelta, entrambi contribuiscono significativamente alla resistenza termica complessiva del modulo: il materiale d'interfaccia termica (TIM) e il materiale ceramico del substrato. Come si può vedere dal grafico, lo strato TIM può contribuire fino al 60% della resistenza termica totale dal giunto al dissipatore (R_thJH). Mentre l'utente finale ha molte opzioni nella scelta del TIM, è difficile influire significativamente sul contributo dello strato TIM, anche utilizzando una pasta termica ad alte prestazioni. L'altro grado di libertà, il substrato ceramico, tuttavia, può ridurre drasticamente il valore complessivo della resistenza termica, come esploreremo di seguito.

Il substrato ceramico tipico utilizzato nella famiglia Wolfspeed WolfPACK è l’ossido di alluminio (Al₂O₃), poiché offre un ottimo compromesso tra costo e prestazione che si adatta bene a questa famiglia di moduli senza piastra di base. Tuttavia, i clienti comprendono che il nitruro di alluminio (AlN) può offrire significativi miglioramenti prestazionali con un aumento relativamente basso dei costi. Con una conducibilità termica 7 volte superiore rispetto all'Al₂O₃, gli impatti possono essere facilmente compresi: riduzione della resistenza termica, diminuzione di Tj per una perdita data, miglioramento della durata della PC per determinate perdite, e abilitazione di una maggiore utilizzazione delle prestazioni del SiC.

Questo è nuovamente dimostrato considerando un inverter collegato alla rete a 2 livelli che opera a una tensione sul bus di 800 V_DC, una tensione sulla rete di 480 V_AC linea-linea RMS, una temperatura ambiente di T_amb = 50 °C e induttori di linea di L = 100 µH. Come nel precedente studio sulla scalabilità, l'utilizzo di un substrato AlN per il GM3 da 6 mΩ crea la possibilità di scalare attraverso le tre variabili: potenza, frequenza di commutazione e temperatura di giunzione. Questo consente soluzioni per clienti che necessitano di maggiore capacità di corrente utilizzabile o, in alcuni casi, ridurre la temperatura di giunzione operativa per migliorare la durata o permettere una temperatura del dissipatore più alta (riduzione dei costi).

Wolfspeed WolfPACK offre un nuovo design basato sulla storia dell'investimento nella tecnologia al Carburo di Silicio

Il portafoglio di potenza WolfPACK di Wolfspeed rappresenta il culmine di decenni di investimenti nella ricerca e nello sviluppo del Carburo di Silicio, abbinati a un design senza baseplate per offrire agli OEM e agli ingegneri progettisti la massima scelta per supportare casi d'uso in un'ampia gamma di segmenti industriali.

Una maggiore flessibilità e scalabilità per i progettisti è resa possibile dall'alloggiamento di diversi MOSFET SiC all'interno di un contenitore che offre pin press-fit, senza saldatura, per interfacciarsi con un PCB esterno. La famiglia di moduli di potenza Wolfspeed WolfPACK presenta configurazioni di pin specifici per l'applicazione, ottimizzati in base alla disposizione interna dei MOSFET, come configurazioni a semi-ponte, ponte completo, sei pacchi e layout buck/boost. In luogo di una piastra di base, il fondo dell'alloggiamento Wolfspeed WolfPACK utilizza un substrato ceramico per un fondo del modulo elettricamente isolato con linguette di montaggio in metallo che utilizzano una forza a molla per interfacciarsi con il dissipatore di calore. Questo approccio distribuisce uniformemente la pressione lungo il fondo del modulo, garantendo un buon contatto termico con il dissipatore di calore e fornendo un collegamento meccanico rigido e robusto tra il dissipatore di calore, il modulo e il PCB.

Un'elevata densità di potenza in un'impronta compatta senza piastra di base, combinata con la tecnologia SiC, consente un layout compatto, una commutazione più rapida e pulita, e offre ai progettisti una riduzione delle dimensioni fino al 25%. Oltre al vantaggio di densità di potenza, i moduli Wolfspeed WolfPACK semplificano il layout del sistema e i processi di assemblaggio. Ciò permette agli ingegneri che lavorano su applicazioni di media potenza di massimizzare la densità di potenza riducendo al minimo la complessità progettuale.

L'innata semplicità dei moduli Wolfspeed WolfPACK supporta un elevato livello di scalabilità che aiuta ad accelerare le linee di produzione e riduce i costi di assemblaggio dei sistemi, offrendo allo stesso tempo una grande varietà di opzioni. Questi nuovi moduli Wolfspeed WolfPACK sono disponibili in configurazioni a mezza ponte e a sei pack, entrambe con MOSFET al carburo di silicio (SiC), e offrono una varietà di opzioni di resistenza dei moduli.

Moduli di potenza che offrono scelta e affidabilità

La nuova famiglia di moduli Wolfspeed WolfPACK offre un portafoglio di potenza che copre un'ampia gamma di applicazioni per i progettisti di oggi, sia che stiano lavorando su progetti da un kilowatt singolo che su sistemi da megawatt — e tutto ciò che vi sta in mezzo.

Costruiti sulla base della tecnologia al Carburo di Silicio leader nel settore di Wolfspeed, questi moduli offrono perdite incredibilmente basse in un formato compatto che si presta perfettamente all'automazione e alla produzione su larga scala, fornendo energia pulita e affidabile per i sistemi di conversione di energia.

Si prega di visitare www.wolfspeed.com/wolfpack per ulteriori informazioni e per accedere a schede tecniche, contenuti sui materiali e note applicative.

Riferimenti