Article
如今，許多市場都受益於碳化矽（SiC）技術所帶來的優勢，尤其是汽車行業。相對于傳統矽（Si）元件，SiC 的性能更高，使系統的開關速度、工作溫度、功率密度、整體效率更高，同時功耗更低。Wolfspeed SiC 元件產品組合涵蓋廣泛的功率水準和應用場景，從用於低功率的分立元件產品，到行業標準尺寸以及優化尺寸的高功率模組產品，實現了功率連續性。EAB450M12XM3 是此大功率模組器件產品系列的最新成員（見下方圖 1）。
Wolfspeed 功率模組產品線（如圖 2 所示）包括 WolfPACK 模組，這些模組提供符合行業標準的無基板式封裝，工作電壓和電流分別高達 1.2 kV 和 200 A。更高功率的模組採用優化程度更高的封裝，適用於要求苛刻的應用場景。該組合中的所有模組都旨在實現相同的目標，即最大限度地提高功率密度、簡化佈局/組裝、實現可擴展的系統和平臺、最大限度降低人工和系統元件成本，同時提供最高級別的可靠性。
Module Type | Wolfspeed WolfPACK™ | Leadframe with Baseplate | ||
|---|---|---|---|---|
Platform | FM/GM Industry Standard | BM Industry Standard | XM Wolfspeed Standard | HM Wolfspeed Standard |
MOSFET Gen | Gen 3 | Gen 2 / Gen 3 | Gen 3 | Gen 3 |
Voltage | 1.2 kV | 1.2 kV/1.7 kV | 1.2 kV/1.7 kV | 1.2 kV/1.7 kV |
Current | <200 A | <600 A | <500 A | <800 A |
Qual Level | Industrial | Industrial/harsh environment | Industrial / Automotive | Industrial |
Recommended Applications | PV, Energy Storage, Low Cost Industrial Apps, Off-Board Charger | Rail Aux Power, Broad Industrial | Heavy Equipment/Performance Drivetrain Inverter, UPS, Off-Board Charger | Test Equipment, Fast Charging Off-Board Chargers |
XM3 系列
XM3 半橋模組充分利用 SiC 的優勢，同時保持簡單、可擴展特性且具有成本效益的尺寸，其重量和體積僅為行業標準 62 毫米對等產品的一半。這些 XM3 模組可最大限度提高功率密度，同時盡可能降低回路電感和開關損耗。此外，它們還配備低電感母線互連、集成式溫度感測器、配置電壓採樣引腳，以及具有增強功率迴圈能力的高可靠性功率基板。此封裝可實現 175 ˚C 最高結溫，高可靠性氮化矽（SiN4）基板確保了在極端條件下的機械強度。封裝為易模組化和可擴展性而設計，寄生電感低至6.5 nH（與類似模組相比，最多可將電感減少 50%）。因此，XM3 非常適合用於各種苛刻的惡劣條件，如牽引驅動器、直流快速充電機和汽車測試設備等汽車應用場景。與 SemiTrans 3 或 EconoDual 等類似功率模組相比，內置領先SiC技術的XM3封裝可以使系統設計更加緊湊，而且兩種功率模組具有相似的額定電壓和電流（在 1,200 V 時高達 450 A）。圖 3 顯示瞭解封狀態下 XM3 半橋模組的俯視圖。
EAB450M12XM3
表 1 列出了 EAB450M12XM3 模組的最大參數（摘自資料表）。
Symbol | Parameter | Min. | Typ. | Max. | Unit |
|---|---|---|---|---|---|
VDS max | Drain-Source Voltage | 1200 | V | ||
VGS max | Gate-Source Voltage, Maximum Value | -8 | +19 | V | |
VGS op | Gate-Source Voltage, Recommended Operating Value | -4 | +15 | V | |
IDS | DC Continuous Drain Current, TC = 25 °C | 450 | A | ||
IDS | DC Continuous Drain Current, TC = 90 °C | 409 | A | ||
ISD BD | DC Source-Drain Current (Body Diode), TC = 25 °C | 225 | A | ||
IDS pulsed | Maximum Pulsed Drain-Source Current | 900 | A | ||
TVJ op | Maximum Virtual Junction Temperature under Switching Conditions | -40 | 175 | °C |
亮點包括 1200 VDS max 450 A 連續漏極電流和 175 ˚C 虛擬結溫（在開關期間），這些特性都已經過設計驗證。下面的表 2 中列出了 MOSFET 特性（每個橋臂）的摘要。
Symbol | Parameter | Min. | Typ. | Max. | Unit. |
|---|---|---|---|---|---|
VBR DSS | Drain-Source Breakdown Voltage | 1200 | V | ||
VGS th | Gate Threshold Voltage | 1.8 | 2.5 | 3.6 | V |
IDSS | Zero Gate Voltage Drain Current | 5 | 500 | μA | |
IGSS | Gate-Source Leakage Current | 0.05 | 1.3 | μA | |
RDS on | Drain-Source On-State Resistance (MOSFET Only), TJ = 25 °C | 2.6 | 3.7 | mΩ | |
RDS on | Drain-Source On-State Resistance (MOSFET Only), TJ = 175 °C | 4.6 | mΩ | ||
gfs | Transconductance, TJ = 25 °C | 355 | S | ||
gfs | Transconductance, TJ = 175 °C | 360 | S | ||
EOn | Turn-On Switching Energy, Tj = 25°C Tj = 125°C Tj = 175°C | 11.0 11.7 13.0 | mJ | ||
EOff | Turn-Off Switching Energy, Tj = 25°C Tj = 125°C Tj = 175°C | 10.1 11.3 12.1 | mJ | ||
RG int | Internal Gate Resistance | 2.5 | Ω | ||
Ciss | Input Capacitance | 38 | nF | ||
Coss | Output Capacitance | 1.5 | nF | ||
Crss | Reverse Transfer Capacitance | 90 | pF | ||
QGS | Gate to Source Charge | 355 | nC | ||
QGD | Gate to Drain Charge | 500 | nC | ||
QG | Total Gate Charge | 1300 | nC | ||
RTH JC | FET Thermal Resistance, Junction to Case | 0.110 | 0.145 | °C/W |
上表中值得注意的參數包括 25 ˚C 條件下的極低 RDS(on) 值 2.6 mΩ 和低結殼熱阻值 0.110 ˚C/W。圖 4 展示了 MOSFET 的開關損耗。請注意，即使結溫較高，開關損耗也相當恒定。
MOSFET 的體二極體的正向電壓值為 4.7 V，恢復時間值為 52 ns（有關反向恢復性能及其低損耗的圖表，請參見圖 5）。這一快速恢復時間和低恢復損耗特性大幅提高了 MOSFET 在開關期間的性能。
內置 NTC 溫度感測器的額定電阻為 4.7 kΩ，容差為 ±1% (ΔR/R)，能夠提供高精度的溫度保護功能。熱監控功能對於實現高可靠性至關重要，因此，通過這種即時回饋功能，可以幫助設計人員優化控制技術。
此外，專用開爾文漏極引腳可實現 用於柵極驅動器過流保護的直接電壓採樣，在高速開關時，這大幅減少了由雜散電感造成的額外電壓引起的誤差。
原理、引腳和性能圖
圖 6 顯示了 EAB450M12XM3 的內部接線。
圖 7 和圖 8 顯示了 EAB450M12XM3 的一些相關性能特徵。圖 7 所示的輸出特性展示了在較高結溫條件下運行時 VDS 和 RDS(on) 的增加情況，並顯示了 Wolfspeed 第三代 SiC MOSFET 技術提供的低 RDS(on) 溫度係數。圖 8 顯示了瞬態熱阻和正向偏置安全工作區。如應用說明 CPWR-AN29 中所示，必須通過適當的安裝和散熱來管理該模組的溫度。CRD300DA12E-XM3參考設計包括3個EAB450M12XM3模組，CRD600DA12E-XM3包括6個EAB450M12XM3模組，這些參考設計展示了一個完整的優化組合，其中包括模組、散熱裝置、母線、柵極驅動器、電壓/電流感測器和控制器。可以在模組的資料表中查看更多性能和時序圖。圖 9 顯示了逆變器應用場景的載流量（輸出電流）和開關頻率之間的關係。
參考設計和支援工具
功率密度為 32 kW/L [CRD300DA12E-XM3]（圖 10）的 CRD300DA12E-XM3 300 kW 高性能三相逆變器十分有用，可幫助您開始實施適用于各種應用場景的三相配置。它具有 XM3 系列模組的諸多優點，包括緊湊尺寸/輕量、更高功率密度、高效率、超低損耗和低散熱設計要求，所有這些特性都降低了系統級成本。該設計的直流母線電壓為 800 V（最大 900 V），電流為 360 A。此外，還包括一個 Wieland MicroCool CP3012-XP 冷板（也如圖 10 所示），用於熱管理（並降低結熱阻），該冷板專門針對 SiC 的高熱通量進行了優化。
KIT-CRD-CIL12N-XM3（圖 11）是一個評估平台，使設計人員能夠在發生電感負載開關事件時準確測量 Wolfspeed XM3 功率模組的電壓和電流波形。這使得可以在精確的測試條件下計算開關損耗能量，以動態地評估模組，並便於進行模組內比較操作。它對應的柵極驅動器（也顯示在圖 11 中）是直接安裝的雙通道隔離柵極驅動器，已專門針對 XM3 功率模組進行了優化。
此外，SpeedFit 2.0 設計模擬器有助於加速設計過程，其類比結果基於計算的損耗、估計的結溫和實驗室資料，適用於從簡單降壓/升壓轉換器到完全雙向圖騰柱 PFC 設計的各種常見拓撲結構。這有助於驗證滿足應用場景的模組和元件，同時為不同的元件和配置提供真正的比較性能。
總結
概括而言，符合汽車標準的 EAB450M12XM3 半橋全 SiC 模組中包括具有優化的散熱設計的高功率密度封裝，可滿足各種應用場景（如電機和牽引驅動器、車輛快速充電機和汽車測試設備）的要求。設計人員能在一個易於使用的封裝中實現 SiC 的各種優勢（高開關頻率、低損耗、更高功率和額定溫度以及更佳效率和可靠性）。該封裝提供的端子設計，可以直接連接母排，而無需折彎或套管，實現了簡單的低電感設計。其它與 EAB450M12XM3 相配合的車規級元器件可以通過新設立的 Power Applications Forum 查詢。此外，還提供一些參考設計、應用說明和設計資源（如模擬器），以説明加速開發流程並為設計人員建立信心。敬請瀏覽 Wolfspeed 網站，瞭解更多 XM3 功率模組、訪問參考設計有關的資訊。