Как улучшить параметры преобразователей с помощью карбид-кремниевых модулей WolfPACK

18 января

управление питаниемWolfspeedстатьядискретные полупроводникиMOSFETSiC MOSFET

Необходим быстродействующий преобразователь питания средней мощности с высоким КПД? Он должен быть компактным (то есть – без дискретных транзисторов) и недорогим (то есть – без мощных модулей, используемых с невысокой эффективностью)? Решение – карбид-кремниевые модули средней мощности WolfPACK производства Wolfspeed.

Компания Wolfspeed является одним из пионеров в области карбид-кремниевых технологий, и результаты ее многолетних исследований не раз выводили преобразователи электрической энергии на совершенно иной качественный уровень. Недавно специалисты этой компании представили новое семейство силовых модулей WolfPACK, содержащих карбид-кремниевые транзисторы, смонтированные в недорогом пластиковом корпусе. Такое решение сочетает в себе преимущества карбид-кремниевых приборов, например, повышенную нагрузочную способность при меньших уровнях потерь, а также новых подходов в конструировании преобразователей, заключающихся в отказе от использования массивного основания, применении пружинных контактов, интеграции датчиков температуры и многих других. По уровню установочной мощности модули семейства WolfPACK находятся примерно посередине между дискретными приборами и мощными модулями в специализированных корпусах, поэтому их лучше всего использовать в преобразователях средней мощности, в которых применение мощных модулей избыточно, а параллельное соединение дискретных транзисторов – нежелательно. В этой статье рассмотрены основные особенности модулей WolfPACK и показано, что переход на эту универсальную и масштабируемую платформу позволяет не только быстро разработать новые устройства, но и без значительных затрат времени и средств модернизировать уже существующие схемы на традиционной элементной базе.

Преимущества карбида кремния

Транзисторы и диоды из карбида кремния имеют меньшие статические потери в проводящем состоянии, более высокую скорость переключения, более высокую рабочую температуру кристалла и повышенную надежность. Их использование позволяет значительно уменьшить величину потерь, возникающих при преобразовании электрической энергии, что приводит к улучшению практически всех ключевых характеристик системы, в первую очередь – КПД, стоимости и удельной мощности. Кроме этого за счет более высокой надежности преобразователи на основе карбид-кремниевых полупроводниковых приборов требуют более простого обслуживания и меньших эксплуатационных затрат на протяжении всего срока службы.

Основной областью применения карбид-кремниевых приборов являются высоковольтные преобразователи, работающие на высоких частотах (рисунок 1). Именно такая комбинация рабочих параметров позволяет максимально раскрыть все преимущества этого материала и создать преобразователи с характеристиками, недостижимыми при использовании транзисторов, изготовленных из других полупроводников, например, кремния или арсенида галлия.

Рис. 1. Области применения современных полупроводниковых материалов

Рис. 1. Области применения современных полупроводниковых материалов

Особенности модулей WolfPACK

Карбид-кремниевые транзисторы WolfPACK размещаются в компактных пластиковых корпусах стандартного размера, подключаемых к внешним платам с помощью специализированных пружинных контактов PressFIT (рисунок 2). Выводы модуля могут располагаться в любом из узлов сетки, имеющей стандартный шаг, что позволяет, во-первых, использовать один и тот же корпус для разных типов модулей, а во-вторых, обеспечивать совместимость с уже существующими приборами.

Рис. 2. Внешний вид модулей WolfPACK

Рис. 2. Внешний вид модулей WolfPACK

Использование пружинных контактов, распределенных в плоскости основания, позволяет более равномерно распределить давление и обеспечить хороший тепловой контакт модуля с радиатором. В руководстве по монтажу модулей WolfPACK указано, что для установки одного модуля необходимо всего шесть винтов: два для крепления основания к радиатору и четыре – для крепления печатной платы к модулю.

Равномерный прижим нижней части модуля к радиатору позволил отказаться от использования массивного металлического основания, традиционно применяемого в мощных силовых модулях. Все силовые элементы модулей WolfPACK смонтированы на площадках, сформированных на тонком керамическом основании по технологии прямого осаждения меди (Direct Bonded Copper, DBC). Такое решение, во-первых, обеспечивает отличную электрическую изоляцию силовых элементов, что позволяет устанавливать модули WolfPACK на радиаторы без каких-либо дополнительных изолирующих прокладок, а во-вторых, снижает общее тепловое сопротивление «кристалл-радиатор» за счет общего упрощения конструкции (рисунок 3). Улучшение условий охлаждения силовых транзисторов позволяет увеличить ток, протекающий в силовых цепях, и, соответственно, выходную мощность преобразователя. Таким образом, использование технологии DBC в сочетании с преимуществами карбида кремния позволяет создавать преобразователи, удельная мощность которых будет больше, чем в случае реализации их силовой части на дискретных компонентах или на традиционных модулях с массивными металлическими основаниями.

Рис. 3. Сравнение теплового сопротивления модулей с массивным основанием (слева) и WolfPACK (справа)

Рис. 3. Сравнение теплового сопротивления модулей с массивным основанием (слева) и WolfPACK (справа)

Ключевые преимущества контактов PressFIT 

Контакты PressFIT, основным элементом которых является специально изогнутый пружинный штифт, уже успели зарекомендовать себя с наилучшей стороны в других продуктах компании Wolfspeed. Каждый контакт PressFIT вставляется в отдельное металлизированное отверстие на печатной плате. После установки печатной платы на модуль штифт сжимается, обеспечивая отличный электрический, тепловой и механический контакт с внутренней поверхностью переходного отверстия. Такой способ соединения является очень удобным в серийном производстве, поскольку для его осуществления не требуется ни дополнительного затягивания соединительных элементов, ни пайки.

Для монтажа модулей не требуется специальных разъемов или адаптеров – достаточно лишь правильно спроектировать переходные отверстия на печатной плате. Помимо этого, при сборке преобразователя упрощается взаимное совмещение модуля и печатной платы, а специфическое размещение контактов практически полностью исключает вероятность неправильной сборки.

Кроме того, модули WolfPACK можно снимать и повторно использовать в других конструкциях, что является одним из ключевых преимуществ на этапе проектирования, поскольку это дает возможность использовать один и тот же модуль в разных схемах. Наличие контактов PressFIT позволяет создавать прототипы, максимально близкие к оригиналу, и таким образом – исключить из процесса разработки некоторые этапы и сократить время выхода продукта на рынок.

Ключевые преимущества тонкого основания

Основанием модуля WolfPACK служит тонкая пластина из оксида алюминия, обеспечивающая требуемую механическую прочность, электрическую изоляцию и отвод тепла от силовых карбид-кремниевых транзисторов. Схемы внутренних соединений модулей с одним и тремя полумостовыми каскадами, содержащими, соответственно, два и шесть силовых карбид-кремниевых транзистора, показаны на рисунке 4. Контакты PressFIT расположены в местах, являющихся стандартными для приборов подобного класса, что позволяет в одном и том же устройстве использовать разные модули. Кроме силовых транзисторов и внутриузловых соединений, каждый модуль содержит также терморезистор, используемый для оценки температуры кристаллов.

Рис. 4. Расположение контактов и внутренних проводников модулей с тремя (слева) и одним (справа) полумостовыми каскадами

Рис. 4. Расположение контактов и внутренних проводников модулей с тремя (слева) и одним (справа) полумостовыми каскадами

Модули WolfPACK устанавливаются на радиатор без дополнительных изолирующих прокладок – электрическую изоляцию обеспечивает керамическое основание модуля из оксида алюминия. Это не только уменьшает тепловое сопротивление между кристаллами и радиатором, но и упрощает сборку устройства. Таким образом, для установки модуля на радиатор на его основание достаточно нанести лишь слой термопасты по специальному трафарету (рисунок 5). При этом можно использовать термопасту, проводящую электрический ток, поскольку она чаще всего имеет лучшие характеристики теплопередачи, чем ее нетокопроводные аналоги.

Рис. 5. Основание модуля с нанесенной термопастой

Рис. 5. Основание модуля с нанесенной термопастой

Сравнительный анализ преобразователей на базе модулей WolfPACK с системами на основе традиционных сильноточных модулей показывает, что при прочих равных условиях системы, использующие модули WolfPACK, будут компактнее и дешевле, чем их аналоги. Это связано, в первую очередь, с меньшими абсолютными размерами корпусов модулей, что позволило уменьшить расстояние между радиатором и печатной платой. Таким образом, по сравнению с системами, использующими модули с массивным основанием, система на основе WolfPACK будет иметь меньшие размеры и, соответственно, большую удельную мощность. Такой же качественный результат будет и при сравнении преобразователей на основе WolfPACK с системами, реализованными на основе дискретных компонентов: за счет размещения в одном компактном корпусе нескольких силовых транзисторов общие размеры преобразователя, использующего транзисторы WolfPACK, будут меньше, чем у его аналога на дискретных компонентах. Кроме того, не следует забывать, что модули WolfPACK можно соединять параллельно. А это значит, что на их основе можно создавать масштабируемые системы с оптимальным сочетанием удельной мощности и стоимости.

Оценить общее уменьшение габаритов преобразователя за счет перехода на модули WolfPACK можно с помощью рисунка 6, на котором показано, что один мощный модуль шириной 62 мм занимает приблизительно такую же площадь, как три модуля WolfPACK. При этом в преобразователях средней мощности мощный модуль останется недогруженным, и удельная мощность системы значительно уменьшится. Не следует также забывать, что в модулях WolfPACK силовые выводы выведены на контакты PressFIT. Это значит, что при относительно небольших токах разводку силовых цепей можно выполнить с помощью печатных проводников без использования дорогих и тяжелых медных шин, что позволит не только облегчить и удешевить конструкцию преобразователя, но и минимизировать за счет использования многослойных печатных плат паразитные индуктивности в силовых цепях. Это, в свою очередь, является одним из ключевых условий быстрого переключения карбид-кремниевых транзисторов.

Рис. 6. Сравнение размеров мощного модуля шириной 62 мм и трех модулей WolfPACK

Рис. 6. Сравнение размеров мощного модуля шириной 62 мм и трех модулей WolfPACK

Заключение

Рекомендуемой областью практического применения модулей WolfPACK являются преобразователи средней мощности, для которых использование маломощных дискретных транзисторов или более мощных модулей приведет лишь к увеличению размеров и стоимости системы. При этом модули WolfPACK поддерживают параллельную работу, что позволяет, при необходимости, масштабировать систему до нужного уровня. Модулями WolfPACK можно также заменить аналогичные кремниевые приборы в уже существующих преобразователях, что позволит увеличить их КПД за счет использования более совершенных карбид-кремниевых технологий.

Применению новых модулей WolfPACK способствует также комплексный подход компании Wolfspeed к поддержке этого семейства. Например, на ее официальном сайте доступны для скачивания учебные материалы, электрические и тепловые модели, а также полная техническая документация на данную продукцию. При необходимости можно приобрести опорные проекты и отладочные платы, позволяющие начать работу с модулями WolfPACK буквально за считанные минуты. Все это в совокупности с превосходными техническими характеристиками позволяет рассматривать силовые модули WolfPACK в качестве основы для широкого круга преобразователей, имеющих параметры, недостижимые при использовании другой элементной базы.

Сайт производителя 

Перевел Александр Русу по заказу АО Компэл

•••

Наши информационные каналы

О компании WOLFSPEED

Компания Wolfspeed является мировым лидером в производстве полупроводниковых кристаллов из карбида кремния (SiC) и приборов на их основе. Полевые транзисторы, диоды и другие полупроводниковые приборы на основе карбида кремния обладают рядом преимуществ по сравнению с аналогичными кремниевыми приборами. Среди них – рабочая температура кристалла до 600°С, высокое быстродействие, радиационная стойкость. В настоящее время Wolfspeed производит высоковольтные SiC диоды, SiC MOSFET, SiC силовые моду ...читать далее

Товары
Наименование
CAB006A12GM3 (CREE PWR)
CAB008M12GM3 (CREE PWR)
CAB011M12FM3 (CREE PWR)
CAB016M12FM3 (CREE PWR)
CCB021M12FM3 (CREE PWR)