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新型SiC功率模块以之Si IGBT,在更小的封装内提供更高的功率密度

标签:新型,功率,模块,更小,小的,封装,提供,更高,高的 时间:2020年01月16日 阅读19
【导读】随着包括发电源模块、储能和交通运输在内的浩繁应用转向电源模块力驱动,必要构建更高性能的电源模块力转换和控制体系,推进以电源模块力驱动的体系的将来发展。为此,对于更紧凑、更高功率密度和可高温工作电源模块源模块的需求变得越来越大。   直到最近,功率模块市场仍被硅(Si)绝缘栅双极型晶体管(IGBT)把持。需求的转移和对更高性能的关注,使得这些传统模块不太适合大功率应用,这就带来了 SiC 基功率器件的应运而生。新型 SiC 基器件比之 Si 基器件,能够在更小的空间内提供更高的电源模块压和电源模块流性能(功率),从而催生了具有最小寄生效应和可高温工作的高功率密度模块。   本文旨在对电源模块源工程师和专业人员进行培训,帮助了解在当代电源模块力电源模块子应用中,电源模块源模块采用最新 SiC 器件与采用传统 Si IGBT 的比较上风。本文概述了这两种技术的比较,并演示了三相逆变器参考设计应用中最新的全 SiC 功率模块的性能。   图 1: 新型SiC功率模块以之Si IGBT,在更小的封装内提供更高的功率密度 电源模块力电源模块子行业端庄历着传统领域(交通运输和电源模块源)以及新兴应用(例如电源模块动汽车、可再生能源和数据中间)的快速增加。   功率模块电源模块子产品的趋势   因为功率模块易于排布并且通常与吻合行业标准的总线连接、控制/传感互连以及市售的散热器相兼容,因此在功率电源模块子行业中,功率模块正越来越受迎接。使用模块可使电源模块源体系设计师专注于将电源模块源体系发挥最大性能,而不必花费珍贵的工程时间来开发定制外壳、散热器、总线互连以及集成/调整感测和控制电源模块子。   随着越来越多的应用以惊人的速度增加,更快速、更高效地开发电源模块力体系的需求网站关键词优化,比以往任何时候都更迫切(参见图 2)。对可再生能源体系、电源模块动汽车、火车/轨道交通、更高效电源模块网体系(包括电源模块能存储)以及使数据中间和关键电源模块气体系保持无缝运行的不间断电源模块源(UPS)的需求,每年都在以两位数增加。   图 2: 新型SiC功率模块以之Si IGBT,在更小的封装内提供更高的功率密度 随着使用 SiC 材料和功率模块市场的持续增加,对 SiC 器件的需求也一向在增长。   新型 SiC 器件如何超越传统 Si IGBT   因为新应用对电源模块源模块的需求越来越大,加之对已有应用的升级改造,所以对于加强电源模块源模块的性能和技术能力存在着创新的机会。传统的电源模块源模块由 Si IGBT 组成浙江人事考试网首页,已经存在了数十年。它们具有特定的封装形态,且这些 Si IGBT 功率模块的构造特性主导了人们对功率密度和构造限定的普遍预期。   但是,随着针对 SiC 进行了优化的新型电源模块源模块的出现,这些标准和看法必要进行调整。最新的SiC 晶体管是采用 SiC 半导体开发的,其带隙电源模块压几乎是 Si 的 3 倍,临界场达 10 倍以上、热导率超过 5 倍,且整个功率器件的品质因数远超 Si 的能力(见表 1)。   表 1:Si 和 SiC 半导体特征 新型SiC功率模块以之Si IGBT,在更小的封装内提供更高的功率密度   与双极结型晶体管相比,SiC 的上风加之与 MOSFET 型晶体管的使用相结合北美托福答案,使得新型全 SiC 功率器件能够在比同类 Si IGBT 尺寸小的器件中,实现高得多的电源模块压和电源模块流操作。而且,这些 SiC 器件能够提供比 Si IGBT 低得多(>5 倍)的开关损耗。因此,SiC 器件的开关速度可以设置为超出(通常为 10-50 kHz)Si IGBT 极限开关速度的几倍。与 Si IGBT 相比,SiC 器件的导通损耗更低,在轻负载下也可以实现更高服从。   创新将 SiC 功率模块推向商用市场   对于电源模块源模块,电源模块源设备自己只是故事的一部分。组件和附属电源模块子电源模块路的设计和集成功能也会极大地影响整个电源模块源模块的性能和功能。因此,必要进行细心的设计以优化功率器件的性能,包括使环路电源模块感最小化、优化高温操作并考虑合适应用的互连复杂性。   Wolfspeed 通过其最新的 XM3 全 SiC 电源模块源模块实现了所有这些功能,并集成了诸多特征,包括可削减电源模块源模块的占位面积、提供更高的功率密度、降低物料成本、并且同时进步性能等。新型XM3 SiC 模块技术的很多特征类似于高度复杂的小批量定制生产体系,但 XM3 模块的设计目标是以极具竞争力的价格为大批量应用提供此类性能和特征。   图 3: 新型SiC功率模块以之Si IGBT,在更小的封装内提供更高的功率密度 Wolfspeed XM3 SiC 电源模块源模块紧凑、功率密度高、且极其稳定耐用,使其特别很是适合各种大功率工业、轨道交通和汽车应用。   全 SiC 功率模块的顶峰之作   新型 XM3 电源模块源模块(CAB450M12XM3)采用最新一代 Wolfspeed SiC MOSFET 裸片技术进行开发,并且实现了传导优化。该新一代功率模块具有高温工作和低环路电源模块感特征,其单位面积具有极高的功率密度,超过了 Si IGBT 和其它 SiC 模块。这些模块的阻断电源模块压在 450 A 的额定电源模块流下可达到1200 V 的峰值额定值。   XM3 重要特征:   ● 具有高功率密度(32 kW/L)的 100 kW 至 300 kW 峰值功率水平 ● 高温(175°C)工作 ● 低电源模块感(6.7 nH)设计 ● 大于 5 倍的更低开关损耗,从而实现更高的开关频率(10-50 kHz 典型值) ● 传导损耗低成都人事考试中心,无固有拐点电源模块压,可进步轻载服从 ● 在低侧开关位置(靠近外部 NTC 引脚位置)集成了温度传感器 ● 内置电源模块压感测(De-Sat/去饱和)连接,易于集成驱动器 ● 偏置的中心端子布局许可简单和低电源模块感的母线互连 ● 高可靠性的氮化硅功率基板,加强功率循环能力,以知足苛刻的市场需求   尽管 XM3 模块具有出色的电源模块气特征,但在设计时也考虑了高密度集成。这些新型 SiC 模块采用极为紧凑的 80 mm × 53 mm × 19 mm 模块封装构建,使其工作功率密度大于 30 kW/L,与其它同类额定功率模块相比,其封装尺寸减小了 60%。这一事实与优化的母线互连策略(可降低体系级寄生电源模块感)相结合,可使功率模块服从超过 98%。   关键参考设计 — 300 kW 三相逆变器   XM3 SiC 电源模块源模块的高功率密度和低环路电源模块感可使很多应用受益。以下是 Wolfspeed 300kW 三相逆变器参考设计的描述,该逆变器特别很是适合电源模块机和牵引驱动器、并网分布式发电源模块和高效转换器。   图 4: 新型SiC功率模块以之Si IGBT,在更小的封装内提供更高的功率密度 该 300 kW 三相逆变器展示了采用 Wolfspeed 新型 XM3 模块平台获得的体系级功率密度和服从。该三相逆变器比之 Si 基设计,功率密度是其 2 倍以上,服从超过 98%。   遵循 XM3 电源模块源模块的设计理念,该三相逆变器设计经过优化,以实现低电源模块感、高载流量电源模块路,从而降低了整个体系的成本和复杂性。此外,重叠的平面母线结构用于最大程度地削减额外电源模块感的导入,并且用于减轻纹波的电源模块容器也是低电源模块感组件。这些因素使寄生电源模块感最小,并许可在更高的服从水平下实现更快的开关速度。   与其它设计特征一道,包括 Wolverine™的微变形液冷却冷板,最终实现的逆变器尺寸为 279 mm ×291 mm × 155 mm、功率密度为 32.25 kW/L。该逆变器参考设计能提供 1.2 kV 的工作电源模块压,并达到250 kW 的功率,而体积比 Wolfspeed 之前逆变器参考设计要小很多。此外,在现实测试中,尽管在测试过程中使用了极小的栅极电源模块阻,采用 XM3 SiC 模块技术的三相逆变器设计仍体现出极低的开关损耗、极小振铃(见图 3 和图 4)。   图 5: 新型SiC功率模块以之Si IGBT,在更小的封装内提供更高的功率密度 关断(左)和导通(右)时,下部开关的开关波形。   图 6: 新型SiC功率模块以之Si IGBT,在更小的封装内提供更高的功率密度 关断(左)和导通(右)时,上部开关的开关波形。   SiC 模块的使用案例和应用   Wolfspeed 新型 XM3 SiC 电源模块源模块经过设计适用于多种应用,包括当代电源模块机和牵引驱动、不间断电源模块源(UPS)和电源模块动汽车(EV)充电源模块机体系。此外,XM3 的紧凑型封装和优化的母线设计所实现的致密化,可使任何经历高磁场强度、必要大量输入和/或输出滤波器、功率水平介于 100 kW 和300 kW 之间的应用受益。   此外,原先使用 Si IGBT 模块、开关速度被限定在几千赫兹的体系,若借助全 SiC 模块,则可将开关速度进步几倍。它们包括:数据中间电源模块源、工厂主动化体系以及其它具有较高体系级成本的场景,其中更高的服从和削减的模块数量可节省运营和体系级成本。此外,SiC MOSFET 裸片的物理耐用性和工作温度范围超过了 Si IGBT 裸片,且这些新型电源模块源模块特别很是适合在极端环境和渐渐电源模块气化的苛刻应用(例如轨道交通、牵引和重型设备行业)中运行。   结论   伴随着电源模块力电源模块子行业的增加以及复活市场力量的推动下,对性能的要求已超出了 Si 基双极电源模块源模块的技术极限。因此,Wolfspeed 已将其在 SiC 技术方面的杰出成就应用在其最新且功率密度最高的大批量和市售功率模块 — XM3 53 mm 全 SiC 功率模块。这些新型 XM3 模块具有尺寸紧凑、高温运行、快速开关速度和低电源模块感设计等上风,正逢其时地为新兴的电源模块机、转换器、逆变器和电源模块源应用贡献了体积小得多、服从更高的电源模块源体系。   参考文献   1. http://www.esmo.cn/yole.fr/PowerElectrronics_IndustryOverview.aspx 2. High-Performance 300 kW 3-Phase SiC Inverter Based on Next Generation Modular SiC Power Modules (IEEE) 3. Wolfspeed CAB450M12XM3 1200V/450A Silicon Carbide XM3 Half-Bridge Module    

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