Wolfspeed 推出了 Wolfspeed WolfPACK? 系列功率模塊，該系列采用眾所周知的功率模塊封裝中的碳化硅 （SiC） 器件。這些模塊建立在Wolfspeed多年來(lái)致力于其碳化硅材料和器件的研究和優(yōu)化之上。除了增加載流量和降低開(kāi)關(guān)損耗等關(guān)鍵改進(jìn)外，這些模塊還具有關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，例如堅(jiān)固的壓接引腳、彈簧加載的無(wú)底板模塊連接、與第二供應(yīng)商的封裝兼容性、通過(guò)嵌入式 NTC 進(jìn)行集成溫度測(cè)量以及比其他行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)模塊更高的功率密度。全新的 Wolfspeed WolfPACK 功率模塊系列填補(bǔ)了大電流模塊和分立元件之間的空白，提供了比并聯(lián)分立元件陣列更簡(jiǎn)單、更穩(wěn)健、更靈活的選擇。本文探討了全新的 Wolfspeed WolfPACK 系列無(wú)碳化硅無(wú)基板功率模塊，并展示了這種多功能且可擴(kuò)展的模塊方法如何實(shí)現(xiàn)當(dāng)前硅 （Si） 設(shè)計(jì)的快速升級(jí)并縮短上市時(shí)間。

碳化硅技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

與業(yè)界的傳統(tǒng)硅技術(shù)相比，碳化硅元件具有更低的傳導(dǎo)損耗、更快的開(kāi)關(guān)瞬變、更高的工作溫度和更高的魯棒性。這些性能優(yōu)勢(shì)通常可以轉(zhuǎn)化為更高的功率密度和更高的效率，而更高的可靠性可以降低系統(tǒng)生命周期內(nèi)的維護(hù)成本。

上圖顯示了各種材料在多個(gè)擊穿電壓下的性能。在考慮高總線電壓下的高開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，碳化硅是首選材料。

碳化硅電源，無(wú)底板模塊

Wolfspeed WolfPACK 模塊將碳化硅 MOSFET 封裝在可重新配置的封裝中，該封裝采用 PressFIT、無(wú)焊引腳與外部 PCB 接口。這些引腳在網(wǎng)格中對(duì)齊，可以根據(jù)內(nèi)部模塊設(shè)計(jì)進(jìn)行定位，從而允許碳化硅器件的多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如半橋或六組。

該模塊使用金屬安裝片作為彈簧力接口。這種方法沿模塊底部均勻分布?jí)毫Γ源_保與散熱器的熱接觸。Wolfspeed 安裝指南建議使用兩個(gè)螺栓用于散熱器片，并用四個(gè)螺釘將外殼連接到 PCB。這些快固件在散熱器、模塊和 PCB 之間提供了剛性而堅(jiān)固的機(jī)械連接。

圖 2 顯示了模塊之間的不同熱堆棧，包括底板和 Wolfspeed WolfPACK 模塊系列。無(wú)底板設(shè)計(jì)不僅減輕了模塊的重量，還減小了封裝尺寸。根據(jù)熱管理系統(tǒng)的不同，在無(wú)底板方法中，總熱阻Rthih通常會(huì)降低。此外，陶瓷直接鍵合銅 （DBC） 基板為散熱器提供了出色的電氣隔離，但熱阻較低，與帶隔離焊盤(pán)的分立式實(shí)現(xiàn)方案相比，這些無(wú)基板模塊的熱性能要好得多。這反過(guò)來(lái)又允許模塊提供比分立封裝中的相同器件更好的載流量。而且，與碳化硅技術(shù)的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，與基于 IGBT 的模塊相比，Wolfspeed WolfPACK 模塊可以顯著減小轉(zhuǎn)換器尺寸。

圖2：底板和無(wú)底板堆疊的比較。

使用 Wolfspeed WolfPACK 設(shè)計(jì)系統(tǒng)

如上所述，Wolfspeed WolfPACK? 電源模塊使用 PressFIT 引腳，這是一種成熟的連接方法，使用帶有彎曲主體的引腳。當(dāng)引腳插入電鍍PCB通孔時(shí)，引腳被壓縮，這種壓縮提供了高可靠性和出色的電氣/熱/機(jī)械性能，無(wú)需進(jìn)一步擰緊，專用部件或焊接。

缺少專用連接器或適配器也減少了安裝時(shí)間，因?yàn)槟K可以正確定向并推入到位。這種連接方式的簡(jiǎn)單性和堅(jiān)固性減少了系統(tǒng)維護(hù)，而模塊的單向特性可防止錯(cuò)誤安裝。

此外，Wolfspeed WolfPACK 模塊可以拆卸并重新用于其他設(shè)計(jì)或配置。因此，這些模塊不僅可靠，而且用途廣泛，可用于各種設(shè)計(jì)的原型設(shè)計(jì)。鑒于 PressFIT 連接的高可靠性，工程師可以創(chuàng)建與最終產(chǎn)品非常相似的原型。這減少了開(kāi)發(fā)階段的數(shù)量，使工程師能夠自信地了解最終產(chǎn)品的性能。

探索采用碳化硅電源解決方案的無(wú)基板模塊的優(yōu)勢(shì)

Wolfspeed WolfPACK 碳化硅無(wú)底板功率模塊包含氧化鋁基板，有助于 MOSFET 的傳熱、電氣隔離和信號(hào)/電源路由。圖3顯示了六橋和半橋電源模塊的內(nèi)部布局，這兩個(gè)模塊都包含一個(gè)用于溫度監(jiān)控的集成NTC組件。此外，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的封裝/引腳排列允許多種采購(gòu)，并可輕松將現(xiàn)有系統(tǒng)升級(jí)到碳化硅。

圖3：六組模塊（左）和半橋模塊（右）的內(nèi)部布局

Wolfspeed WolfPACK 模塊不需要與散熱器進(jìn)行電氣隔離（因?yàn)楦綦x已經(jīng)由氧化鋁基板完成）。這降低了半導(dǎo)體器件與熱管理系統(tǒng)之間的熱阻。帶有模板/屏幕的熱界面材料，可用作裝配過(guò)程的一部分，并有助于熱量分布。熱界面材料 （TIM） 可以是導(dǎo)電的，因?yàn)殡娊^緣 TIM 通常會(huì)降低熱性能。

將無(wú)基板模塊與傳統(tǒng)的大電流模塊進(jìn)行比較時(shí)，Wolfspeed WolfPACK? 模塊可以在更小的尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的功率密度，同時(shí)降低組裝成本。這是由于將多個(gè)碳化硅MOSFET集成到單個(gè)小型封裝中，以及散熱器和PCB之間的高度減小，與分立器件或傳統(tǒng)封裝相比，可實(shí)現(xiàn)更緊湊的設(shè)計(jì)。由于 Wolfspeed WolfPACK? 模塊可以并聯(lián)，設(shè)計(jì)人員可以創(chuàng)建可擴(kuò)展到適當(dāng)功率水平的系統(tǒng)，同時(shí)優(yōu)化空間和成本。

多個(gè)模塊可以安裝在類似的尺寸內(nèi)，無(wú)需充分利用笨重的大電流模塊。此外，采用 PressFIT 引腳和 PCB 實(shí)現(xiàn)的布線電源可以消除對(duì)重型銅母線的需求。

此外，Wolfspeed WolfPACK PCB 安裝允許使用重疊平面以最小化電感，從而實(shí)現(xiàn)非常快速的開(kāi)關(guān)。

結(jié)論

Wolfspeed 的 WolfPACK 碳化硅功率無(wú)底板模塊為設(shè)計(jì)人員提供了對(duì)傳統(tǒng)硅無(wú)基板模塊的可靠、快速升級(jí)。該技術(shù)在中等功率系統(tǒng)中提供了極大的可擴(kuò)展性，有可能最大限度地減小轉(zhuǎn)換器尺寸并降低系統(tǒng)BOM成本，同時(shí)為設(shè)計(jì)人員提供彌合分立元件和高載流量模塊之間差距的選項(xiàng)。

審核編輯：郭婷