Новые SiC-модули XM3 — для снижения размеров, веса и стоимости силовых преобразователей

Хотя карбид кремния (SiC) по-прежнему считается относительно новым материалом на рынке полупроводников, в настоящее время он используется в силовых схемах, широко распространенных в нашей жизни — от центров обработки данных, доставляющих электронную почту, до солнечных электрических станций, обеспечивающих энергией офисы и дома, электромобили и поезда, на которых мы едем на работу, промышленное оборудование и роботов, производящих товары, которые мы потребляем [1].

В ИT-сегменте применение SiC создает новые топологии схем, такие как двухтактный безмостовой ККМ (PFC), КПД которого ранее был ограничен из-за недостаточной производительности кремния (Si) и не мог соответствовать стандарту энергоэффективности Titanium. На рынке солнечной энергетики SiC-модули позволяют увеличить эффективность до 99,5%, имея в три раза меньший размер и в десять раз меньший вес по сравнению с Si-компонентами. В электромобилях (EV) SiC-модули в соответствующих конструктивах могут работать при более высоких температурах окружающей среды, генерируя при этом значительно меньшие потери. Это дает возможность сэкономить $300–$600 и более от стоимости батареи, еще $600 за счет сокращения занимаемого объема, а также $500–$1000 благодаря снижению требований к системе управления [2].

Wolfspeed развивает SiC-технологию, чтобы удовлетворить взрывной спрос

Компания опирается на свою более чем 30-летнюю историю инноваций и опыт разработки SiC-компонентов для разнообразных конечных приложений и предлагает широкую гамму чипов, дискретных и модульных платформ (рис. 1). По мере роста областей применения Wolfspeed соответственно развивается. В планах компании — мегафабрика материалов, более крупное, высокоавтоматизированное производство пластин, а также обработка 150-мм пластин с возможностью расширения до 200-мм [3].

Рис. 1. Производство пластин

Компания Wolfspeed сделала большой шаг в направлении расширения рынка, запустив бизнес силовых модулей в крупномасштабное коммерческое пространство с линейкой как стандартных промышленных корпусов, так и новых конструктивов, оптимизированных для SiC-компонентов. Кроме того, Wolfspeed позиционирует себя в качестве производителя SiC-модулей для основных массовых сегментов рынка, таких как промышленность, энергетика, транспорт и автомобили.

Один типоразмер не подходит всем

Широкое внедрение силовых SiC-модулей требует наличия компонентов в различных корпусах и с разными характеристиками. Промышленность исторически предлагает стандартные 45-, 62-мм и более крупные конструктивы EconoDUAL, которые не могут в полной мере использовать преимущества технологии карбида кремния. Конкурирующие производители SiC часто используют корпуса, изначально предназначенные для производства кремниевых приборов, без каких-либо доработок, позволяющих учесть особенности SiC-технологии, что сродни установке двигателя Ferrari в старый потрепанный пикап. Другими словами, старый пикап просто не способен реализовать мощность двигателя Ferrari.

Wolfspeed может предложить как корпуса, так и чипы, оптимизированные для демонстрации преимуществ SiC, отличающиеся вертикально интегрированной моделью, позволяющей совместно разрабатывать новые технологии, соответствующие конкретным областям применения. Когда модуль создан с учетом уникальных характеристик SiC, он способен максимизировать скорость переключения, плотность мощности и обеспечить лучшие тепловые характеристики. Используя подход «один типоразмер не подходит для всех» и предоставляя как оптимизированные для SiC, так и стандартные корпуса, линейка модулей Wolfspeed предлагает высокую гибкость в разработке дизайна конструктивов, подходящих для различных областей применения. Новая модульная платформа XM3 (рис. 2) размером 53 мм является ярким примером того, как Wolfspeed устанавливает стандарты корпусирования SiC-компонентов.

Рис. 2. Внешний вид силового модуля XM3

Платформа XM3: создание нового типоразмера

Силовой модуль Wolfspeed XM3 SiC (рис. 2) устанавливает новый стандарт на рынке силовых ключей, имея на 50% меньший вес и габариты, чем обычный модуль 62 мм с максимальной плотностью мощности. Этот конструктив следующего поколения оптимизирован для установки любых коммерчески доступных чипов C3M MOSFET Wolfspeed с напряжением до 1700 В. Он способен проводить токи до 500 А при габаритах всего 53×80 мм. В пределах силовой платформы XM3 будут предложены различные конфигурации схем, удовлетворяющих разнообразным требованиям по рабочему напряжению и мощности для различных применений.

Для достижения высоких скоростей коммутации с низкими динамическими потерями корпус должен быть спроектирован с учетом обеспечения низкой паразитной индуктивности: это главный момент при проектировании как самого модуля, так и конструкции силовой шины на системном уровне. По величине паразитной индуктивности XM3 превосходит конкурирующие устаревшие корпуса благодаря низкоиндуктивной планарной структуре с перекрытием.

Токовые петли внутри модуля широкие и низкопрофильные, они обеспечивают равномерное распределение токов между чипами, что создает эквивалентные импедансы для различных положений ключей. Терминалы питания модуля имеют смещение по вертикали. Это упрощает конструкцию соединений между конденсаторами DC-шины и модулем и обеспечивает ламинарность связей вплоть до модуля, не требуя изгибов, штамповки, зазоров или применения сложной изоляции. Конечным результатом является малая индуктивность силового контура — всего 6,7 нГн при 10 МГц, как продемонстрировано в эталонной конструкции инвертора на базе XM3.

Рис. 3. Зависимость максимального тока от частоты для различных модулей XM3

Большая плотность тока, свойственная SiC-приборам, требует высокоэффективной тепловой сборки для максимальной тепло­передачи. Уникальная конструкция XM3 позволяет модулю работать при температуре чипов до +175 °C. К другим ключевым особенностям XM3 относятся встроенный датчик температуры на нижнем ключе, встроенный датчик напряжения Vce (DESAT), предназначенный для простоты интеграции драйвера, и надежная подложка из нитрида кремния (Si3N4), обеспечивающая улучшение стойкости к термоциклированию.

Производительность модуля CAB450M12XM3 гораздо выше, чем у аналогичных Si IGBT — потери переключения более чем в пять раз меньше. Так, при 800 В и 400 А суммарное значение E_sw, включая потери обратного восстановления, менее 30 мДж при R_Gext = 0 Ом. Если рассматривать оптимизированный с точки зрения динамических потерь модуль CAB400M12XM3, то его общие потери при 800 В и 400 А еще ниже — менее 15 мДж! Платформа XM3 также имеет меньшие потери проводимости, у SiC отсутствует точка перегиба прямой характеристики, что обеспечивает высокую эффективность при малых нагрузках.

Конструктив XM3 предлагает высокую гибкость внутренней топологии, что позволяет реализовать различные варианты схем. Благодаря этому Wolfspeed будет выпускать перспективные виды XM3 с напряжением до 1,7 кВ, охватывающие разные топологии схем. Эти схемные конфигурации ориентированы на различные конечные приложения и уровни мощности для удовлетворения широких потребностей рынка.

Первая реализация платформы XM3 — модуль CAB450M12XM3, предназначенный для приложений, где нужны низкие потери проводимости; за ним следуют CAB400M12XM3 и CAB425M12XM3, оптимизированные для устройств, требующих низких потерь переключения.

Отладочный комплект XM3 упрощает применение SiC

Проектирование новых устройств на основе карбида кремния имеет свои особенности, поэтому Wolfspeed выпускает материалы, предназначенные для обучения новых пользователей SiC передовым практикам и помощи в освоении этого полупроводникового материала. Для платформы XM3 предлагаются демонстрационные средства системного уровня, а также лабораторные инструменты оценки, позволяющие быстро настроить и запустить изделие. Платформа XM3 (рис. 4) содержит:

• драйвер затвора CGD12HBXMP (рис. 4а);
• комплект для оценки динамических характеристик KIT-CRD-CIL12N-XM3 (рис. 4б);
• макет трехфазного инвертора CRD—DA12E-XM3 (рис. 4в) мощностью 200–300 кВт («—» в обозначении — уровень мощности, зависящий от комплектации прототипа, имеющего несколько вариантов и артикулов).

Рис. 4. XM3 отладочная плата:
а) драйвер затвора CGD12HBXMP;
б) комплект для оценки динамических характеристик KIT-CRD-CIL12N; в) трехфазный инвертор CRD—DA12E-XM3

Драйвер затвора CGD12HBXMP (рис. 4а) оптимизирован для подключения к приборам С3М Wolfspeed типоразмера XM3. Напряжения питания +15 В/–4 В выходного каскада соответствуют рекомендуемым значениям V_GS для C3M. Драйвер содержит DC/DC-конвертер Murata мощностью 2 Вт на канал для обеспечения высокочастотной коммутации с частотой до 80 кГц, пиковое напряжение изоляции составляет 5,2 кВ (1 мин) при емкости изоляции всего 2,9 пФ.

Драйвер обеспечивает изоляцию до 1000 В_rms (рабочее напряжение); защиту от перегрузки по току, короткого замыкания и перемены полярности; иммунитет к синфазным переходным помехам (CMTI) составляет 100 кВ/мкс. Он также имеет дифференциальный вход для улучшения помехоустойчивости. Если лабораторная установка не передает дифференциальный сигнал, то Wolfspeed предлагает дополнительную плату трансивера, преобразующего дифференциальное напряжение в одноканальное (CGD12HB00D). Техническая документация на драйвер и плату дифференциального приемопередатчика доступна для загрузки, их схемы можно использовать в качестве учебного пособия для создания собственного драйвера.

Комплект KIT-CRD-CIL12N-XM3 (рис. 4б) позволяет инженерам оценить динамические характеристики модуля XM3 в своей лаборатории. Его конструкция обеспечивает точки доступа, позволяющие измерять характеристики переключения транзисторов верхнего и нижнего уровня через конфигурируемые соединения. Устройство совместимо с токовым шунтом с диапазоном частот 350 МГц, оно содержит низкочастотные и высокочастотные пленочные конденсаторы с низкой паразитной индуктивностью. Документацию на KIT-CRD-CIL12N-XM3 можно скачать с сайта Wolfspeed и использовать для создания собственной оценочной платы; некоторые партнеры Wolfspeed имеют этот комплект для оценки динамических характеристик по кредитным программам, таким образом вы можете проверить его в своей собственной лаборатории.

Макет инвертора CRD—DA12E-XM3 (рис. 4в) позволяет продемонстрировать высокую плотность мощности, которую обеспечивают SiC-ключи. Устройство имеет три модуля XM3, три драйвера затвора CGD12HBXMP, плату контроллера, оптимизированную DC-шину, конденсаторы постоянного тока, датчики тока и напряжения и высокопроизводительный жидкостный радиатор. По мере роста платформы XM3 компания Wolfspeed выпускает новые конфигурации CRD—DA12E-XM3, так что пользователи смогут испытать версии этого инвертора. Первый коммерческий модуль на этой платформе CAB450M12XM3 обеспечивает мощность инвертора 300 кВт — CRD300DA12E-XM3. Габариты прототипа инвертора — 279×291×115 мм, объем — 9,3 л. Таким образом плотность мощности CRD300DA12E-XM3 составляет 32,25 кВт/л, что вдвое больше, чем у инверторов на основе Si-модулей, а его эффективность превышает 98%.

Создайте свое устройство

Платформа XM3 может быть внедрена в широком диапазоне применений, она оптимальна для устройств высокой мощности в диапазоне 100–300 кВт. Моторные и тяговые приводы, которые используются в железнодорожном и промышленном оборудовании, источники бесперебойного питания (UPS), серверные источники питания, бортовые и внешние зарядные станции для электротранспорта (EV), а также другие приложения, требующие высокой плотности мощности и эффективности или имеющие большие входные или выходные фильтры, могут значительно выиграть от применения нового силового модуля.