【導讀】隨sui著zhe電dian力li電dian子zi設she備bei的de采cai用yong越yue來lai越yue廣guang，設she計ji工gong程cheng師shi不bu斷duan麵mian臨lin著zhe挑tiao戰zhan，需xu要yao創chuang建jian比bi以yi往wang效xiao率lv更geng高gao的de係xi統tong。通tong常chang，麵mian臨lin的de重zhong大da挑tiao戰zhan之zhi一yi是shi為wei新xin設she計ji選xuan擇ze最zui合he適shi的de器qi件jian，這zhe對dui於yu在zai不bu增zeng加jia不bu必bi要yao係xi統tong成cheng本ben的de情qing況kuang下xia滿man足zu轉zhuan換huan器qi規gui格ge而er言yan至zhi關guan重zhong要yao。Wolfspeed 深(shen)知(zhi)這(zhe)一(yi)挑(tiao)戰(zhan)
，不(bu)斷(duan)擴(kuo)充(chong)我(wo)們(men)的(de)產(chan)品(pin)組(zu)合(he)，以(yi)更(geng)好(hao)地(di)滿(man)足(zu)客(ke)戶(hu)需(xu)求(qiu)。我(wo)們(men)的(de)目(mu)標(biao)是(shi)向(xiang)應(ying)用(yong)工(gong)程(cheng)師(shi)提(ti)供(gong)廣(guang)泛(fan)的(de)產(chan)品(pin)，采(cai)用(yong)後(hou)可(ke)使(shi)其(qi)設(she)計(ji)比(bi)競(jing)爭(zheng)對(dui)手(shou)更(geng)高(gao)效(xiao)、更可靠
、更可靈活配置。

經過 30 多年的碳化矽（SiC）研發，我們目前的產品組合中包含各種 SiC 肖特基二極管
、MOSFET 和功率模塊，涵蓋了廣泛的功率要求。相較於矽（Si）晶體管
，出色的載流能力和更低的開關損耗使轉換器具有更高的效率和功率密度，最終為中等功率轉換器（10 至 100 kW）帶來了最佳解決方案。也正因如此，Wolfspeed 近期推出了 WolfPACK™ 功率模塊係列。對於傳統上進行分立式器件並聯的轉換器，該係列功率模塊可謂是理想的替代方案。

功率模塊對比分立式晶體管

在(zai)中(zhong)等(deng)功(gong)率(lv)應(ying)用(yong)中(zhong)，分(fen)立(li)方(fang)案(an)通(tong)常(chang)在(zai)每(mei)個(ge)開(kai)關(guan)節(jie)位(wei)置(zhi)上(shang)要(yao)求(qiu)多(duo)個(ge)器(qi)件(jian)。無(wu)論(lun)是(shi)並(bing)聯(lian)式(shi)還(hai)是(shi)交(jiao)錯(cuo)式(shi)
，這(zhe)些(xie)額(e)外(wai)的(de)器(qi)件(jian)都(dou)會(hui)進(jin)一(yi)步(bu)增(zeng)加(jia)電(dian)路(lu)板(ban)布(bu)局(ju)
、熱管理、隔離、電磁幹擾（EMI）和可靠性方麵的設計挑戰。功率模塊提供的關鍵優勢在於，它們在設計上可降低此類挑戰的複雜性，並可大大減輕係統設計負擔（特別是在替代一排分立式晶體管時）。圖 1 從概念上展示了適合於 WPAC 係列的功率輸出範圍；功率水平超過 10 kW 時
，分立式解決方案的複雜性隨之增加，這讓 WolfPACK 係列在成本方麵更具吸引力。

圖 1：WOLFSPEED WOLFPACK 模塊為超出單一分立式 MOSFET 額定功率範圍的功率而設計
，並簡化了熱管理和係統布局設計。

中等功率係統分立式方案設計的典型挑戰

設計分立式方案器件的轉換器時，設計人員必須對所需的晶體管規格（如阻斷電壓、額定電流、導通電阻和開關能量）加jia以yi謹jin慎shen考kao慮lv。通tong常chang，一yi個ge重zhong大da的de設she計ji問wen題ti是shi對dui器qi件jian的de選xuan擇ze，而er且qie由you於yu封feng裝zhuang限xian製zhi，分fen立li式shi器qi件jian會hui限xian製zhi可ke擴kuo展zhan性xing。這zhe意yi味wei著zhe，增zeng加jia係xi統tong功gong率lv要yao求qiu（或設計更高輸出功率的轉換器）通常需要大量重新設計。此外，重複的器件選擇還需要新的、更高電壓/電流的晶體管

，並且常常還需要進行新的熱管理
、PCB 布局和機械設計來適應封裝。

如果選擇采用並聯更多晶體管的方法，會帶來一係列新的挑戰。例如，采用新器件及其熱管理和外圍元件（如柵極驅動器和無源元件）將需要占用更多空間。由於並聯晶體管間電感不平衡會導致更高損耗、電(dian)壓(ya)過(guo)衝(chong)和(he)壽(shou)命(ming)縮(suo)短(duan)，因(yin)而(er)會(hui)帶(dai)來(lai)更(geng)多(duo)布(bu)局(ju)上(shang)的(de)挑(tiao)戰(zhan)。換(huan)言(yan)之(zhi)

，大(da)幅(fu)度(du)擴(kuo)展(zhan)分(fen)立(li)式(shi)方(fang)案(an)轉(zhuan)換(huan)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)與(yu)設(she)計(ji)新(xin)轉(zhuan)換(huan)器(qi)一(yi)樣(yang)
，挑(tiao)戰(zhan)重(zhong)重(zhong)。

youyuzhuanhuanqidemubiaoshitongguogenggaodekaiguanpinlvlaishixiangengdadegonglvmidu
，yincishejifenlishiqijiandetiaozhanyesuizhizengjia。shixiangaokaiguanpinlvsuoxudegengkuaizhuanhuansulvhuigeikongzhixitongdailaidianciganrao
，tebieshizai PCB 設計不佳的情況下。電磁幹擾所可能直接引發晶體管誤開啟，進而會導致額外損耗
、qijianshoumingsuoduan，shenzhishizhuanhuanqishixiao。gengkuaidezhuanhuansulvhaihuizengjiazhajiqudongqichengben，yinweixuyaojinxingdalianggelilaibaohumingankongzhixitongmianshougonglvshunbiandeyingxiang。cileizhajiqudongqichengbenyeyusuoxudebinglianjingtiguanshuliangyouguan。

避免中等功率設計的常見失效模式：減少雜散電感

減少雜散電感對轉換器設計至關重要。PCB 走線
、封裝、連接器
、接口
、yinxianhedianxiandouhuiyinqizasandiangan，zaishejigonglvhezhajihuilushibixujinshen。youweiguanjiandeshijiangzhajihegonglvhuiluouhezaiyiqidediangan，zhexiedianganweidianyuanhexinhaoyuanlianjiesuogongyong（即共源電感）。采用獨立開爾文連接的封裝通常是首選，因為這種封裝可消除任何外部的源極寄生電感（L_CS）。雖然上述考量在轉換器設計中一直都很重要，但當利用高 di/dt 的 SiC 晶體管時，這些雜散電感會發揮更為關鍵的角色。這是因為由 MOSFET 開關產生的 di/dt 會在寄生電感上產生電壓（V_L = L × di/dt）
，而這會增加 MOSFET 漏極的電壓峰值。因此，母線電壓和 MOSFET 阻zu斷duan電dian壓ya間jian所suo需xu的de裕yu量liang與yu開kai關guan速su度du和he寄ji生sheng電dian感gan直zhi接jie息xi息xi相xiang關guan。由you於yu開kai關guan速su度du也ye與yu開kai關guan損sun耗hao相xiang關guan
，因yin此ci，減jian少shao寄ji生sheng電dian感gan遠yuan比bi降jiang低di開kai關guan速su度du要yao有you益yi得de多duo。這zhe些xie影ying響xiang在zai並bing聯lian器qi件jian時shi會hui變bian得de更geng糟zao，因yin為wei在zai開kai關guan瞬shun間jian可ke能neng會hui發fa生sheng明ming顯xian的de電dian流liu不bu平ping衡heng。

采cai用yong功gong率lv模mo塊kuai可ke消xiao除chu許xu多duo此ci類lei設she計ji上shang的de挑tiao戰zhan
，對dui功gong率lv和he柵zha極ji回hui路lu的de優you化hua會hui更geng容rong易yi，因yin為wei許xu多duo必bi要yao的de工gong程cheng設she計ji已yi經jing在zai模mo塊kuai中zhong完wan成cheng。這zhe降jiang低di了le轉zhuan換huan器qi設she計ji的de複fu雜za性xing

，並bing簡jian化hua了le對dui布bu局ju的de改gai動dong。設she計ji人ren員yuan還hai可ke從cong Wolfspeed 的“設計庫”中查找可靠的模塊布局經驗法則。

避免中等功率設計的常見失效模式：簡化熱管理

通tong常chang，分fen立li式shi器qi件jian需xu要yao在zai其qi熱re界jie麵mian和he熱re管guan理li係xi統tong之zhi間jian進jin行xing電dian壓ya隔ge離li。原yuan因yin在zai於yu散san熱re片pian或huo冷leng板ban將jiang接jie地di
，而er分fen立li器qi件jian將jiang暴bao露lu於yu高gao電dian壓ya下xia。功gong率lv模mo塊kuai通tong過guo將jiang器qi件jian貼tie裝zhuang到dao合he適shi的de銅tong麵mian陶tao瓷ci（通常稱為直接敷銅基板 [DBC]）上，從而無需進行額外的絕緣設計。功率模塊設計中采用的傳統堆疊方式
，將 DBC 連接到金屬（或複合材料）底板上
，底板上帶有用於將模塊固定在散熱片或冷板上的的安裝點。安裝底板時必須要謹慎
，因為壓力不均或熱傳介質材料 (TIM) 不足/過量，都會增加模塊和熱管理係統之間的熱阻。

實現這些界麵之間良好的熱傳遞需要兩個主要因素：熱阻（R_th）和熱膨脹係數（CTE）。

R_th 是熱從一個界麵傳遞到另一個界麵的容易程度的模型 - R_th 越高，表明從熱源中提取的熱能（或功率損耗）就越少。熱阻的大小取決於接觸麵積、材料的熱導率和層厚。在帶底板的功率模塊中，必須對 RJC（即晶體管芯片和底板外殼間的熱阻）以及外殼和散熱片間的熱阻加以考慮。為了降低 RJC，全新的 Wolfspeed WolfPACK 模塊采用無底板，實現了對 DBC 基板的直接冷卻。這增加了晶體管的熱傳遞，降低了給定功率水平下芯片的結溫（圖 2）。

圖 2：經典基板安裝式芯片結構（左）與無基板 WOLFSPEED WOLFPACK 模塊結構（右）之比較。

通常，SiC 芯片的 CTE（4.0 10^–6/K）與陶瓷基板的 CTE 相匹配，後者一般由氮化鋁（AlN: 4.5 10^–6/K）或氧化鋁（Al₂O₃: 8.2 10^–6/K）構成。但出於機械原因，底板一般由銅（Cu: 16.5 10^–6/K）或 Al-SiC 複合材料（8.4 10^–6/K）製成。這種不匹配
，加上 DBC 和陶瓷之間的剛性接合層，會導致材料結點處應力的增加。這些作用在 DBC 和底板間大接觸界麵上的熱機械應力，會導致焊點疲勞和斷裂。充足的熱循環會引起焊點分層（這會大大增加熱阻），甚至會使脆性陶瓷 DBC 斷裂，導致模塊失效。

Wolfspeed WolfPACK dutedewudibanshejixiaochuleyubupipeicailiaodegangxinglianjie，jinerxiaochulezhezhongjixiexingshixiaodian。dibananzhuangluoshuanbeitihuanchengjinshukoupian，jinshukoupianzaisuliaowaikeshangladong

，jianglijunyundifenbuzaijibanshang。youyu DBC 和散熱片之間的界麵是柔性潤滑脂（而非剛性焊料），因此可允許材料間的脹差

，而不會產生很大的應力。除了可靠性優於手動和自動焊接外（參見表 1），這zhe些xie壓ya合he式shi金jin屬shu扣kou片pian還hai大da大da降jiang低di了le功gong率lv模mo塊kuai的de組zu裝zhuang成cheng本ben。這zhe種zhong安an裝zhuang方fang法fa便bian於yu將jiang任ren何he數shu量liang的de模mo塊kuai和he其qi他ta器qi件jian安an裝zhuang到dao單dan一yi散san熱re片pian或huo冷leng板ban上shang，由you此ci簡jian化hua了le熱re係xi統tong設she計ji。

設計人員如何利用 Wolfspeed WolfPACK擴展功率？

與分立式元件和傳統功率模塊相比，Wolfspeed WolfPACK 模塊的大功率/大電流能力大大簡化了中等功率轉換器（最高 100 kW）的設計，易於使其更具擴展性，而且占用空間小

，可實現更高的功率密度。Wolfspeed WolfPACK 模塊提供一係列不同規格和配置，這允許許多功率係統得以快速開發、易於構建和維護，且在現場實現高可靠性。這些模塊的最大額定漏源極電壓（VDS）為 1,200 V，連續漏極電流（ID）為 30 A 至 100 A
，可輕鬆構成中等功率係統的單元模塊。此外，Wolfspeed WolfPACK 模塊解決方案的可擴展性非常高
，因為得益於模塊設計
，通過交錯和並聯擴展係統要簡單得多。

在電動汽車充電、太陽能轉換/儲存和電源供應等無數應用中，都需要中等功率直流/直流轉換器。例如，可通過並聯連接任意數量的功率橋臂來擴展最大輸出電流/功率能力，同時減小電流紋波，來實現多相交錯、雙向直流到直流轉換器（圖 3）。三相交錯的直流/直流轉換器開關的柵極信號被移相 120°，以消除低頻諧波。隻需對控製器和熱係統進行較小改動即可實現交錯。輸出功率可達 60 多千瓦

，仍遠低於 SiC 芯(xin)片(pian)的(de)最(zui)大(da)結(jie)溫(wen)，使(shi)係(xi)統(tong)能(neng)夠(gou)在(zai)其(qi)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)內(nei)可(ke)靠(kao)地(di)運(yun)行(xing)。交(jiao)錯(cuo)是(shi)一(yi)種(zhong)上(shang)佳(jia)的(de)策(ce)略(lve)，可(ke)避(bi)免(mian)並(bing)聯(lian)器(qi)件(jian)的(de)某(mou)些(xie)挑(tiao)戰(zhan)，同(tong)時(shi)還(hai)能(neng)提(ti)高(gao)係(xi)統(tong)性(xing)能(neng)，減(jian)小(xiao)輸(shu)出(chu)電(dian)感(gan)的(de)尺(chi)寸(cun)。

圖 3：交錯直流/直流轉換器基本示意圖。

這種交錯方法可應用於各種轉換器和逆變器架構，從而在不犧牲電氣和熱性能的情況下可靠地擴展功率。加上 SiC 技術優勢和無底板 Wolfspeed WolfPACK 係列簡化的熱管理
，使得寬輸出功率範圍的轉換器係列的設計從未如此容易！

簡單的可擴展性是 Wolfspeed WolfPACK™ 係列無底板功率模塊的典型特征之一。如前所述，增加係統功率能力的一種方法是交錯或並聯模塊。但要擴大基於 FM3 的係統額定功率的一種最簡單的方法是將 GM3 插入到您的解決方案中。但可擴展性不僅僅是功率，還與選擇相關 - 這些選擇可增強您當前解決方案的性能
，具體取決於您試圖通過可擴展係統實現什麼。

為了幫助理解插入 GM3 可在係統中帶來什麼益處，讓我們考慮具有如下參數的典型 2 電平平並網逆變器或 AFE 係統，如下所示：800 VDC 總線電壓，480 V_AC 線路間有效值柵極電壓（RMS），環境溫度 T_amb = 50 °C
，線路電感 L = 100 µH。每個橋臂代表半橋 FM3 或 GM3 Wolfspeed WolfPACK™ 功率模塊。

圖 4：2 電平並網逆變器或 AFE 係統。

在本研究中
，我們將 CAB011M12FM3（11 mΩ）視為我們基於 FM3 的參考基準。使用上述定義的係統參數並在相對較高的開關頻率（50 kHz ）下工作

，由於半導體損耗
，在達到 150°C 最高結溫之前，可實現 75 kW 的額定功率。

將 CAB008M12GM3（8 mΩ）插入到完全相同的 75 kW / 50 kHz 係統中，仍顯示出很高的係統效率（高達 98.9%）
，但將器件結溫降低到了僅 114°C。zaizhezhongjiaodidewenduxiayunxingqijian，keyanchangqijianshouminghuotigaokekaoxing
，yeketigonggenggaodekaixiaoheguozainengli。lingwai，youweimingxiandeshi，youtigaojiewendekongjian

，congertigaoxitongdeedinggonglv，zaizhezhongqingkuangxia，ketigaodao 100 kW（50 kHz / Tj = 150°C）。

現在插入 CAB006M12GM3（6 mΩ），還(hai)可(ke)對(dui)上(shang)述(shu)討(tao)論(lun)的(de)係(xi)統(tong)進(jin)一(yi)步(bu)增(zeng)強(qiang)性(xing)能(neng)。同(tong)樣(yang)，在(zai)給(gei)定(ding)額(e)定(ding)功(gong)率(lv)下(xia)，可(ke)降(jiang)低(di)器(qi)件(jian)的(de)工(gong)作(zuo)結(jie)溫(wen)，或(huo)可(ke)通(tong)過(guo)增(zeng)加(jia)係(xi)統(tong)的(de)額(e)定(ding)功(gong)率(lv)，甚(shen)至(zhi)提(ti)高(gao)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)來(lai)進(jin)一(yi)步(bu)利(li)用(yong)額(e)外(wai)的(de)結(jie)溫(wen)裕(yu)量(liang)。以(yi)下(xia)給(gei)出(chu)了(le)這(zhe)項(xiang)比(bi)較(jiao)研(yan)究(jiu)的(de)摘(zhai)要(yao)，以(yi)演(yan)示(shi) GM3 平台提供的可擴展性選擇。

圖 5：展示 GM3 可擴展性的比較研究結果。

顯然

，如所示，插入更大的 GM3 平台可增加基於 FM3 的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)的(de)額(e)定(ding)功(gong)率(lv)，但(dan)為(wei)可(ke)擴(kuo)展(zhan)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)帶(dai)來(lai)的(de)益(yi)處(chu)不(bu)止(zhi)這(zhe)些(xie)。根(gen)據(ju)您(nin)的(de)設(she)計(ji)目(mu)標(biao)，降(jiang)低(di)操(cao)作(zuo)結(jie)溫(wen)以(yi)增(zeng)加(jia)係(xi)統(tong)魯(lu)棒(bang)性(xing)，或(huo)增(zeng)加(jia)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)以(yi)減(jian)少(shao)磁(ci)性(xing)元(yuan)件(jian)尺(chi)寸(cun)/成本並提高控製範圍，它們都是為您的可擴展係統增強性能的理想方法。總而言之，GM3 平台為設計人員提供了輕鬆擴展電力電子係統的選擇。

圖 6：使用 GM3 WOLFSPEED WOLFPACK™ 平台輕鬆擴展您的係統。

chulezengjiamokuaichicunhuoyouyuanxinpianmianjiwai，lingyizhongtigaokekuozhanxingdefangfashixuanzegonglvmokuaidecailiaoduidie。zaimeiyoujibandeqingkuangxia
，zhezhongxuanzeshijishangzhiyouliangzhongziyoudu，qiehuiduimokuai（熱傳介質材料 (TIM) 和基板陶瓷材料）的總體熱阻產生顯著影響。從圖中可以看出，TIM 層可占總體節點-散熱片熱阻 （R_thJH）的 60%。雖然最終用戶可從眾多 TIM 中進行選擇，但即使選用性能極高的散熱膏材料
，也難以顯著影響 TIM 層的作用。而在另一個自由度方麵，陶瓷基板可以顯著降低整體熱阻值
，這是我們接下來將探討的問題。  

圖 7：典型的 RthJH 分布。

WolfSpeed WolfPACK 係列的典型必備陶瓷基板是氧化鋁（Al₂O₃）
，因其具有極佳的性價比

，非常適合此類無底板模塊係列。但客戶了解
，氮化鋁（AlN）可較大的提高性能，且成本的提升相對較低。AIN 的熱導率比 Al₂O₃ 高 7 倍，因而也就不難理解這些影響了：降低熱阻，降低給定損耗的 T_j，提高給定損耗下的 PC 使用壽命，提高 SiC 性能的利用率。

考慮一下在 800 V_DC 總線電壓、480 V_AC 線對線 RMS 電網電壓
、環境溫度 T_amb = 50 ℃ 和線路電感 L= 100 µH 下運行的 2 電平並網逆變器，也再次證明了這一點。與之前的可擴展性研究一樣，采用 AlN 基板的6mΩ GM3，即可在三個變量間進行擴展：功率、kaiguanpinlvhejiewen。zheweixuyaogengdakeyongdianliunenglidekehutigonglejiejuefangan，huozhezaimouxieyonglixia
，kejiangdigongzuojiewenyiyanchangshiyongshouming，huozhezhichigenggaodesanrepianwendu（降低成本）。

圖 8：展示 GM3 可擴展性的比較研究結果。

Wolfspeed WolfPACK 提供了一種建立在 SiC 技術長期投入基礎上的新設計

Wolfspeed WolfPACK 功率產品組合是數十年來對 SiC 研發投入的頂峰之作
，加上無基板設計，為原始設備製造商和設計工程師提供了更多選擇，從而用以支持廣泛的行業應用。

通過在提供壓合式、無焊料引腳與外部 PCB 連接的容器內裝配幾個 SiC MOSFET，就為設計人員提供了更大的靈活性和可擴展性。Wolfspeed WolfPACK 係列功率模塊根據 MOSFET 內部排列結構為特定應用提供優化的引腳分配（如半橋式、全橋式、六管集成以及降壓式/升壓式電路等）。Wolfspeed WolfPACK 外wai殼ke底di部bu采cai用yong陶tao瓷ci基ji板ban替ti代dai底di板ban
，該gai陶tao瓷ci基ji板ban用yong於yu模mo塊kuai底di部bu和he金jin屬shu墊dian片pian的de電dian氣qi隔ge離li，金jin屬shu安an裝zhuang扣kou片pian利li用yong彈dan簧huang力li與yu散san熱re片pian連lian接jie。這zhe種zhong方fang法fa將jiang壓ya力li均jun勻yun地di分fen布bu到dao模mo塊kuai底di部bu，確que保bao了le與yu散san熱re片pian充chong分fen的de熱re接jie觸chu
，同tong時shi還hai為wei散san熱re片pian、模塊以及 PCB 之間提供了穩固的機械連接。

無底板封裝中實現較高的功率密度
，加之 SiC 技術
，實現了緊湊布局
、更快速、更簡潔的開關切換
，可為設計人員減少達 25% 的體積。除了功率密度優勢
，Wolfspeed WolfPACK mokuaihaijianhualexitongbujuhezuzhuangliucheng。zherangcongshizhongdenggonglvyingyonggongzuodegongchengshinengzaihendachengdushangtigaogonglvmidu，tongshizuidaxiandujiangdishejifuzaxing。

Wolfspeed WolfPACK 固有的簡單性可支持高度的可擴展性，有助於加快生產流程，降低係統組裝成本，同時還提供了大量選擇。這些新型 Wolfspeed WolfPACK 模塊搭載全SiC MOSFET 半橋和全 SiC MOSFET 六管集成，並具有多種不同導通電阻的選擇。

提供多種選擇和可靠性的功率模塊

全新係列的 Wolfspeed WolfPACK 模塊為設計人員提供適用於各種應用的功率產品組合，無論是進行單千瓦設計還是兆瓦係統之間的任何設計。

這些模塊建立在 Wolfspeed 行業領先的 SiC 技術基礎之上
，以小封裝實現超低損耗，非常適合規模化自動化和製造，從而為能源轉換係統提供清潔
、可靠的電力。

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