SiC器件如何增加功率電路的安培容量

“安培容量”是指功率器件的電流載流量，通常是限制功率設(shè)計(jì)性能的最大因素之一。一顆在給定熱管理要求下能夠良好運(yùn)行的元件，對(duì)于設(shè)計(jì)工程師十分重要。

功率器件能夠根據(jù)開(kāi)關(guān)頻率、器件損耗機(jī)制以及從芯片結(jié)點(diǎn)到冷卻介質(zhì)的熱管理來(lái)提供輸出電流。需要根據(jù)元件安培容量的相關(guān)參數(shù)來(lái)選擇部件。根據(jù)設(shè)計(jì)和元件規(guī)格，市場(chǎng)上可供選擇的產(chǎn)品選項(xiàng)屈指可數(shù)。因此，功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)師要想模擬并挑選最接近安培數(shù)的器件，以滿足系統(tǒng)要求，同時(shí)又能優(yōu)化性能與系統(tǒng)材料清單 (BOM)，他們的產(chǎn)品選擇就十分有限。

與傳統(tǒng) Si 基產(chǎn)品相比，寬禁帶 (WBG) 半導(dǎo)體器件能提供相對(duì)更高的安培容量。這能夠顯著地提高高功率設(shè)計(jì)中的功率密度，正在成為此類電路設(shè)計(jì)師的首選。這類器件的導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗較低，從而在提供高安培容量方面表現(xiàn)出眾。碳化硅 (SiC) 是一種得到廣泛接受的寬禁帶半導(dǎo)體材料，憑借其以更小體積、更高效率處理更高功率的能力，能夠很好地滿足設(shè)計(jì)人員的要求。了解 SiC 組件在您設(shè)計(jì)中的表現(xiàn)，請(qǐng)使用我們的 SpeedFit 模擬器。.

Wolfspeed WolfPACK TM 是一款全 SiC 模塊，便于在單個(gè)封裝內(nèi)集成電路拓?fù)洌瑥亩詷?biāo)準(zhǔn)尺寸為功率電路提供更高的安培容量。該模塊體積緊湊，易于安裝啟用，在相同的配置條件下，與多種分立器件相比，其在某些系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的性能更為出色。這有賴于該模塊在單個(gè)基底之內(nèi)整合了線路連接和封裝，因此無(wú)需進(jìn)一步嵌入絕緣層，還能避免附加的寄生效應(yīng)。您可以在 WolfspeedWolfPACK 系列頁(yè)面上了解關(guān)于 Wolfspeed WolfPACK 及其性能和其他規(guī)格等更多信息。

現(xiàn)在讓我們來(lái)看下一些條件，例如溫度、開(kāi)關(guān)頻率、散熱性能，以及如何影響總體安培容量和功率系統(tǒng)性能。

溫度

模塊的額定直流電流是基于封裝的熱阻、系統(tǒng)熱管理方式以及最大額定結(jié)點(diǎn)溫度下封裝體內(nèi)的電阻(Rdson) 。隨著功率器件溫度的升高，由于溫度與 Rdson的關(guān)系，器件會(huì)提供更低的輸出電流。SiC 功率器件的導(dǎo)通損耗更低，且不存在固有的電勢(shì)壓降（目前市面上相同尺寸的傳統(tǒng)元件存在此現(xiàn)象），因此 Wolfspeed WolfPACK 模塊能夠提供同類更優(yōu)的性能。

開(kāi)關(guān)頻率

開(kāi)關(guān)頻率，即器件在一秒內(nèi)開(kāi)關(guān)的次數(shù)，通常會(huì)增加動(dòng)態(tài)損耗，減少輸出電流平均承載能力。提高系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率通常是理想的方法，因?yàn)檫@樣有助于采用更小的無(wú)源器件，例如電容器、濾波器、電感器等。SiC 器件具有動(dòng)態(tài)損耗較低的特點(diǎn)，這使得電路設(shè)計(jì)人員能夠提高可用的最大開(kāi)關(guān)頻率，同時(shí)維持在較高的母線電壓水平上，實(shí)現(xiàn)顯著高于其他 Si 基產(chǎn)品的功率密度參數(shù)。

散熱

顯著影響器件安培容量一大主要因素便是散熱。正如之前所述，SiC 器件的損耗更小，可在單個(gè)陶瓷基片上進(jìn)行安裝，到散熱器無(wú)須進(jìn)行額外的電壓隔離。這在最大程度上減少了到周圍冷卻環(huán)境的熱阻，從而為設(shè)計(jì)師帶來(lái)更簡(jiǎn)單的系統(tǒng)安裝應(yīng)用方式，并最小化熱管理成本和所需尺寸。

圖 2: 圖片重點(diǎn)展現(xiàn)了 Wolfspeed WolfPACK 模塊如何僅使用兩個(gè)螺栓安裝復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，安全地使用壓接引腳安裝至 PCB，以及如何給冷卻板提供陶瓷絕緣層。

安培容量

綜合上述所有因素，將決定模塊的輸出安培容量。由于 SiC 功率器件的 Rdson和動(dòng)態(tài)損耗更低，所以與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體技術(shù)相比，其在開(kāi)關(guān)應(yīng)用中的有效值輸出電流更高。此外，耦合在絕緣封裝中能夠?qū)嶙铚p小至最低水平，因而相同體積下的可用電流安培數(shù)也會(huì)再度提高。再結(jié)合 Wolfspeed 功率模塊中 SiC 器件的高速受控開(kāi)關(guān)，可使得傳遞到負(fù)載的 SiC 單位面積內(nèi)的有效值電流達(dá)到最高數(shù)值。每個(gè)模塊中這類性能提升，將體現(xiàn)在更多的有效值電流、盡可能低的結(jié)溫和/或更高的系統(tǒng)效率等形式。

結(jié)論

如大家所見(jiàn)，更高的安培容量在確保面向中功率應(yīng)用的模塊功率性能方面發(fā)揮著重要作用。此類應(yīng)用包括但不限于電動(dòng)汽車充電、鐵路牽引、工業(yè)自動(dòng)化、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、工業(yè)電源以及可再生能源設(shè)計(jì)（例如太陽(yáng)能逆變器）。這是由于較高的安培容量能夠?qū)崿F(xiàn)靈活、可擴(kuò)展的模塊，為從單千瓦到數(shù)百千瓦的功率設(shè)計(jì)提供解決方案。

審核編輯：郭婷