Wolfspeed WolfPACK 功率模块非常适合中功率应用

我们的目标是提供广泛的产品，让应用工程师能够通过使用这些产品，使他们的设计比竞争对手的更高效、更强大、更具可配置性。凭借超过30年的碳化硅（SiC）研究与开发经验，我们现有的产品组合包括多种SiC肖特基二极管、MOSFET以及功率模块，可满足广泛的功率需求。与硅（Si）晶体管相比，碳化硅器件具备更高的电流承载能力和更低的开关损耗，从而提升转换器效率和功率密度。这最终为中功率转换器（10至100 kW）提供了最佳解决方案。基于此，Wolfspeed近期推出了WolfPACK™功率模块系列。这些模块是传统上需要通过并联分离器件实现的转换器的理想替代方案。

功率模块与分立晶体管之比较

在中功率应用中，分立实现通常需要每个开关节点使用多个器件。无论是并联还是交错，这些额外的器件都会进一步增加设计布局、热管理、隔离、电磁干扰（EMI）以及可靠性的挑战。功率模块提供的关键优势在于它们被设计用来减少这些挑战的复杂性，特别是在取代一系列分立晶体管时，可以大大降低系统设计的负担。图 1 概念性地显示了适用于 WPAC 系列的功率输出范围；当功率水平超过 10 kW 时，分立解决方案的复杂性增加，使得 WolfPACK 系列的成本优势更加显著。

中等功率系统的典型离散设计挑战

在设计分立组件转换器时，设计人员必须仔细考虑所需的晶体管规格（例如耐压、额定电流、导通电阻和开关能量）。器件选择通常是一个重要的设计问题，并且由于封装限制，分立器件限制了可扩展性。这意味着随着系统功率需求的增加，或者设计转换器的高输出型号时，通常需要进行大规模的重新设计。此外，还需要新的更高电压/电流的晶体管，并重新进行器件选择。为了适应新的封装，通常需要新的热管理、PCB布局以及机械设计。

如果选择通过并联的方式增加额外的晶体管，那么这将带来一系列新的挑战。例如，新器件的加入将需要额外的空间，同时还需要考虑它们的热管理以及外围组件（如栅极驱动和无源元件）。此外，布局也将面临更多挑战，因为并联晶体管之间的电感失衡可能会导致更高的损耗、电压过冲以及使用寿命的缩短。换句话说，大幅度提高分立式转换器的输出功率可能与设计一个全新的转换器一样具有挑战性。

避免中等功率设计中的常见故障模式：降低寄生电感

降低寄生电感对变换器设计至关重要。PCB导线、封装、连接器、接口、引线和电线都会增加电感，因此电源环路和栅极环路必须经过精心设计。特别重要的是将栅极环路和电源环路耦合在一起的电感，它们是电源连接点和信号源连接点（即公共源电感）所共有的。具有独立凯尔文连接的封装通常更加受到青睐，因为它们可以消除任何外部的_LCS。尽管这些考虑在变换器设计中一直都很重要，但在利用SiC晶体管的高di/dt特性时，这些寄生电感显得尤为关键。这是因为MOSFET开关过程中产生的di/dt会在寄生电感上感应出电压（V_L = L × di/dt），这会增加MOSFET漏极的电压尖峰。因此，母线电压与MOSFET阻断电压之间所需的裕量直接与开关速度和寄生电感相关。由于开关速度还与开关损耗相关，降低寄生电感比降低开关速度的收益要大得多。当并联器件时，这些效应会变得更为严重，因为在开关瞬态期间可能会出现显著的电流不平衡现象。¹

功率模块的实施消除了许多设计挑战，由于模块内已经完成了大量必要的工程工作，功率和栅极回路的优化变得更加容易。这减少了转换器设计的复杂性，并简化了布局的变更。此外，设计人员还可以在Wolfspeed的设计库²中找到关于模块布局的可靠经验法则。

避免常见故障模式或中功率设计：简化的热管理

分立器件通常需要在其热界面与热管理系统之间进行电压隔离。这是因为散热器或冷板会接地，而分立组件则会暴露于高电压下。功率模块通过将器件安装到带有铜层的适当陶瓷上（通常称为直接键合铜或DBC），免除了设计额外绝缘的需求。功率模块设计中传统的层叠方式是将该DBC连接到金属（或复合材料）底板上，该底板包含用于将模块固定到散热器或冷板上的安装点。底板安装时需要格外注意，因为不均匀的压力或热界面材料（TIM）不足/过量可能会增加模块与热管理系统之间的热阻。

在这些界面之间实现良好热传递需要两个主要因素：热阻（R_th）和热膨胀系数（CTE）。

R_th 是一个模型，用于表示热量在两个界面之间的传递难易程度——较高的 R_th 表示从热源中提取的热能（或功率损失）较少。热阻的值取决于接触面积、材料的导热率以及层的厚度。在带有基板的功率模块中，需要考虑 R_JC，即晶体管结和外壳（基板）之间的热阻，以及外壳与散热片之间的热阻。为了降低 R_JC，新的 Wolfspeed WolfPACK 模块取消了基板设计，允许直接冷却 DBC 基板。这提高了晶体管的热传导效率，从而在给定功率水平下降低芯片的结温（图2）。

通常，SiC芯片的热膨胀系数（CTE）(4.0 × 10^–6/K)与陶瓷基板的热膨胀系数相匹配，陶瓷基板通常由氮化铝（AlN: 4.5 × 10^–6/K）或氧化铝（Al2O3: 8.2 × 10^–6/K）组成。然而，底板通常出于机械原因由铜（Cu: 16.5 × 10^–6/K）或铝-碳化硅复合材料（Al-SiC: 8.4 × 10^–6/K）制成。这种不匹配，加上DBC和陶瓷之间的非弹性粘结层，会在这些材料的接合处引起应力增加。这些作用于DBC与底板之间大面积界面的热机械应力可能会导致焊料疲劳和裂纹。在足够的热循环情况下，焊接接头会发生分层（这会极大地增加热阻），甚至可能导致脆性陶瓷DBC的破裂，最终导致模块故障。^4,5

Wolfspeed WolfPACK 独特的无基板设计通过消除与不匹配材料连接的不灵活性，解决了机械故障点问题。基板安装螺栓被金属卡片所取代，这些金属卡片拉动塑料外壳，将力均匀分布在基板上。由于 DBC 和散热器之间的界面是灵活的导热膏（而不是刚性焊料），可以允许材料之间发生差异性膨胀，而不会产生显著的应力。除了相比手动或自动焊接的可靠性优势（参见表 1），这些压入式金属卡片还能显著降低功率模块的组装成本。这种安装方法简化了热系统设计，使得可以将任意数量的模块及其它组件安装到单一散热器或冷板上。

设计师如何通过Wolfspeed WolfPACK提升功率规模？

Wolfspeed的WolfPACK模块具有高功率/高电流特性，大大简化了中等功率转换器（最高可达100 kW）的设计，其实现的便捷性使它们更具可扩展性，小型化的设计相比离散组件和传统功率模块能够实现更高的功率密度。Wolfspeed的WolfPACK模块提供多种不同规格和配置，能够快速开发多种电力系统类型，这些系统不仅易于组装和维护，同时在实际应用中表现出极高的可靠性。WolfPACK模块的最大额定漏源电压（V_DS）为1,200 V，直流连续漏电流（I_D）范围从30 A到100 A不等，这些模块可以轻松构建中等功率系统的基础模块。此外，Wolfspeed的WolfPACK模块是一种极具扩展性的解决方案，由于模块设计的特点，通过交错和并联来扩展系统变得更加简单。

中功率DC/DC转换器在众多应用中是必不可少的，例如电动车充电、太阳能能量传输/存储以及电源供应等。例如，通过将任意数量的功率相位桥臂并联，可以实现一种多相交错的双向DC/DC转换器，从而在缩小电流纹波的同时提升最大输出电流/功率能力（图3）。三相交错DC/DC转换器的开关栅极信号通过120°相移来消除低频谐波。交错技术可以通过对控制器和热管理系统进行少量改动来实现。输出功率可达60千瓦以上，同时仍远低于碳化硅(SiC)芯片的最高结温，使系统能够在其运行寿命内可靠运行。交错技术是一种有效的策略，不仅能够避免并联器件时的一些挑战，还能改善系统性能并减小输出电感器尺寸。

这种交错方法同样可以应用于各种转换器和逆变器架构，以在不损害电气和热性能的情况下可靠地实现功率扩展。结合SiC技术的优势以及无底板Wolfspeed WolfPACK系列简化的热管理功能，部署具有广泛输出功率范围的转换器系列变得前所未有的简单！

简单的可扩展性是Wolfspeed WolfPACK系列无基板电力模块的一个显著特点。如前所述，模块的交错或并联是提升系统功率能力的一种方法。然而，基于FM3的系统实现功率等级扩展的最简单方法之一便是将GM3模块插入您的解决方案。但可扩展性不仅仅关乎功率，还关乎选择——这些选择可以根据您试图通过可扩展系统实现的目标来提升您当前解决方案的性能。

为了帮助理解在您的系统中插入GM3可能带来的优势，我们以下面典型的2级并网逆变器或AFE系统为例，其参数如下：800 V_DC 母线电压，480 V_AC 线路到线路的RMS电网电压，环境温度T_amb = 50 °C，以及L = 100 µH的线路电感器。每个桥臂表示半桥FM3或GM3 Wolfspeed Wolfpack™功率模块。

在本研究中，我们将CAB011M12FM3（11 mΩ）作为我们的基线FM3解决方案。根据上文定义的系统参数，并在相对较高的开关频率50 kHz下运行，可以在半导体损耗使结温达到最高150 °C之前实现75 kW的功率额定值。

将CAB008M12GM3（8 mΩ）插入完全相同的75 kW / 50 kHz系统中，仍然表现出非常高的系统效率98.9%，但将器件的结温降至仅114°C。在较低的结温下运行器件可以提高使用寿命或可靠性，或者提供更多的裕量和过载能力。或者，很明显可以提高结温，从而提升系统的功率额定值，在这种情况下，功率额定值可以增加到100 kW（50 kHz / Tj = 150°C）。

通过现在插入CAB006M12GM3（6毫欧），可以在之前讨论的系统基础上进一步提升性能。同样，对于指定的功率额定值，可以降低器件的工作结温，或者利用额外的结温裕度来进一步提高系统的功率额定值，甚至提升工作开关频率。下面给出了这项比较研究的总结，以展示GM3平台所提供的可扩展性选项。

显而易见，如本文所展示，将更大的GM3平台嵌入您的基于FM3的解决方案中可以提升功率规格，但这并不是为您的可扩展解决方案所带来的唯一优势。根据您的设计目标，降低工作结温以增强系统的鲁棒性，或增加开关频率以减少磁性元件的尺寸/成本并改善控制带宽，都可能是您的可扩展系统中极具吸引力的性能改进。不论如何，GM3平台为设计者提供了轻松扩展其电力电子系统的选项。

除了增加模块尺寸或活性芯片面积之外，另一种促进可扩展性的策略涉及选择功率模块的材料叠层。没有基板的情况下，这种选择实际上只有两个自由度，而这两个自由度都会显著影响模块的整体热阻——热界面材料（TIM）和基板陶瓷材料。从图表中可以看出，TIM层的贡献可占整体结到散热器热阻（R_thJH）的60%。虽然终用户在选择TIM时有很多选项，但即使使用性能非常高的导热膏材料，也很难显著影响TIM层的贡献。然而，另一个自由度——陶瓷基板——却能够显著降低整体热阻值，这一点我们将在接下来深入探讨。

Wolfspeed WolfPACK系列通常采用氧化铝（Al₂O₃）作为陶瓷基板，因为它在成本与性能之间提供了极佳的平衡，非常适合这一无底板模块系列。然而，客户也了解到氮化铝（AlN）能够以相对较小的成本增加带来显著的性能提升。与氧化铝（Al₂O₃）相比，氮化铝的热导率高出7倍，其影响显而易见：减少热阻，降低损耗条件下的结温（Tj），在特定损耗条件下延长功率模块的使用寿命，同时实现更高的SiC性能利用率。

这再次通过考虑一个运行在800 V_DC 母线电压、480 V_AC 线间有效值电网电压的两级并网逆变器，环境温度为T_amb = 50°C，线路电感为L = 100 µH来证明。与之前的可扩展性研究类似，使用6 mΩ GM3的氮化铝（AlN）基板可以实现三个变量之间的扩展：功率、开关频率和结温。这为客户提供了解决方案，比如需要更大的可用载流能力，或者在某些使用场景中降低运行结温以延长使用寿命，或者提高散热器温度（降低成本）。

Wolfspeed WolfPACK 提供了一种基于硅碳技术投资历史的新设计

Wolfspeed 的 WolfPACK 功率产品组合是几十年来硅碳化硅研究与开发投资的结晶，并采用无底板设计，为原始设备制造商 (OEM) 和设计工程师提供最多选择，以支持广泛行业领域的各种应用场景。

通过将多个SiC MOSFET容纳在一个具有按压式、无焊接引脚的外壳中以便与外部PCB连接，这为设计师提供了更大的灵活性和可扩展性。Wolfspeed WolfPACK系列功率模块采用根据MOSFET的内部排列优化的应用特定引脚布局，例如半桥、全桥、六管和升降压设计。Wolfspeed WolfPACK外壳的底部不使用底板，而是使用陶瓷基板，提供一个电气隔离的模块底部，并配备金属安装片，通过弹簧力与散热器接口。此设计沿模块底部均匀分布压力，以确保与散热器的良好热接触，同时在散热器、模块和PCB之间提供刚性和可靠的机械连接。

高功率密度于小巧无底板的外形中结合，搭配SiC技术实现紧凑布局、更快、更干净的开关，从而为设计师提供最高可达25%的尺寸减小。除了其功率密度优势外，Wolfspeed WolfPACK模块简化了系统布局和组装流程。这为从事中功率应用的工程师提供了最大化功率密度的同时又能将设计复杂性降至最低的能力。

Wolfspeed WolfPACK 的固有简洁性支持高度的可扩展性，有助于加速生产流程，并降低系统组装成本，同时提供广泛的选择。这些新的 Wolfspeed WolfPACK 模块具有全碳化硅 (SiC) MOSFET 半桥和全碳化硅 (SiC) MOSFET 六管模块配置，并配备多种模块电阻选项。

提供选择和可靠性的功率模块

Wolfspeed WolfPACK 模块的全新系列提供了一个涵盖广泛应用的功率组合，无论是设计单千瓦系统还是兆瓦级系统，亦或是介于两者之间的任何功率设计，现如今的设计师均能从中受益。

基于Wolfspeed领先业界的碳化硅技术，这些模块在小型封装中提供了极低的损耗，非常适合大规模自动化和制造，为能源转换系统提供清洁、可靠的电力。

请访问www.wolfspeed.com/wolfpack 以获取更多信息以及访问数据表、材料内容和应用说明。

参考文献