【导读】如今，许多市场都受益于碳化硅（SiC）技术所带来的优势，尤其是汽车行业。相对于传统硅（Si）组件，SiC 的性能更高，使系统的开关速度、工作温度、功率密度、整体效率更高，同时功耗更低。Wolfspeed SiC 器件产品组合涵盖广泛的功率水平和应用场景，从用于低功率的分立器件产品，到行业标准尺寸以及优化尺寸的高功率模块产品，实现了功率连续性。EAB450M12XM3 是该大功率模块器件产品系列的最新成员（见下方图 1）。
图 1：满足车规要求的 EAB450M12XM3 1200 V 450A SiC 半桥模块
Wolfspeed 功率模块产品线（如图 2 所示）包括 WolfPACK 模块，这些模块提供符合行业标准的无基板式封装，工作电压和电流分别高达 1.2 kV 和 200 A。更高功率的模块采用优化程度更高的封装，适用于要求苛刻的应用场景。该组合中的所有模块都旨在实现相同的目标，即最大限度地提高功率密度、简化布局/组装、实现可扩展的系统和平台、最大限度降低人工和系统组件成本，同时提供最高级别的可靠性。
图 2：Wolfspeed 功率模块产品组合
#1 XM3 系列
XM3 半桥模块充分利用 SiC 的优势，同时保持简单、可扩展特性且具有成本效益的尺寸，其重量和体积仅为行业标准 62 毫米对等产品的一半。这些 XM3 模块可最大限度提高功率密度，同时尽可能降低回路电感和开关损耗。此外，它们还配备低电感母线互连、集成式温度传感器、配置电压采样引脚，以及具有增强功率循环能力的高可靠性功率基板。此封装可实现 175 ˚C 最高结温，高可靠性氮化硅（SiN4）基板确保了在极端条件下的机械强度。封装为易模组化和可扩展性而设计，寄生电感低至 6.5 nH（与类似模块相比，最多可将电感减少 50%）。因此，XM3 非常适合用于各种苛刻的恶劣条件，如牵引驱动器、直流快速充电机和汽车测试设备等汽车应用场景。与 SemiTrans 3 或 EconoDual 等类似功率模块相比，内置领先 SiC 技术的 XM3 封装可以使系统设计更加紧凑，而且两种功率模块具有相似的额定电压和电流（在 1200 V 时高达 450 A）。图 3 显示了解封状态下 XM3 半桥模块的俯视图。
图 3：Wolfspeed XM3 半桥模块，俯视图
#2 EAB450M12XM3
表 1 列出了 EAB450M12XM3 模块的最大参数（摘自数据表）。
表 1：EAB450M12XM3 最大参数
亮点包括 1200 VDS max 450 A 连续漏极电流和 175 ˚C 虚拟结温（在开关期间），这些特性都已经过设计验证。下面的表 2 中列出了 MOSFET 特性（每个桥臂）的摘要。
表 2：EAB450M12XM3 MOSFET 特性
上表中值得注意的参数包括 25 ˚C 条件下的极低 RDS(on) 值 2.6 mΩ 和低结壳热阻值 0.110 ˚C/W。图 4 展示了 MOSFET 的开关损耗。请注意，即使结温较高，开关损耗也相当恒定。
图 4：EAB450M12XM3 MOSFET 开关损耗
MOSFET 的体二极管的正向电压值为 4.7 V，恢复时间值为 52 ns（有关反向恢复性能及其低损耗的图表，请参见图 5）。这一快速恢复时间和低恢复损耗特性大幅提高了 MOSFET 在开关期间的性能。
图 5：EAB450M12XM3 反向恢复性能
内置 NTC 温度传感器的额定电阻为 4.7 kΩ，容差为 ±1% (ΔR/R)，能够提供高精度的温度保护功能。热监控功能对于实现高可靠性至关重要，因此，通过这种实时反馈功能，可以帮助设计人员优化控制技术。
此外，专用开尔文漏极引脚可实现用于栅极驱动器过流保护的直接电压采样，在高速开关时，这大幅减少了由杂散电感造成的额外电压引起的误差。
#3 原理、引脚和性能图
图 6 显示了 EAB450M12XM3 的内部接线。
图 6：EAB450M12XM3 内部接线/示意图和引脚
图 7 和图 8 显示了 EAB450M12XM3 的一些相关性能特征。图 7 所示的输出特性展示了在较高结温条件下运行时 VDS 和 RDS(on) 的增加情况，并显示了 Wolfspeed 第三代 SiC MOSFET 技术提供的低 RDS(on) 温度系数。图 8 显示了瞬态热阻和正向偏置安全工作区。如应用说明 CPWR-AN29 中所示，必须通过适当的安装和散热来管理该模块的温度。CRD300DA12E-XM3参考设计包括3个EAB450M12XM3模块，CRD600DA12E-XM3 包括 6 个 EAB450M12XM3 模块，这些参考设计展示了一个完整的优化组合，其中包括模块、散热装置、母线、栅极驱动器、电压/电流传感器和控制器。可以在模块的数据表中查看更多性能和时序图。
图 7：各种漏极电流和结温所产生的特性（左）和 RDS(on)（右）
图 8：MOSFET 结壳热阻（左）和正向偏置安全工作区（右）
图 9 显示了逆变器应用场景的载流量（输出电流）和开关频率之间的关系。
图 9. 输出电流能力与开关频率（逆变器应用）
#4 参考设计和支持工具
功率密度为 32 kW/L [CRD300DA12E-XM3]（图 10）的 CRD300DA12E-XM3 300 kW 高性能三相逆变器十分有用，可帮助您开始实施适用于各种应用场景的三相配置。它具有 XM3 系列模块的诸多优点，包括紧凑尺寸/轻量、更高功率密度、高效率、超低损耗和低散热设计要求，所有这些特性都降低了系统级成本。该设计的直流母线电压为 800 V（最大 900 V），电流为 360 A。此外，还包括一个 Wieland MicroCool CP3012-XP 冷板（也如图 10 所示），用于热管理（并降低结热阻），该冷板专门针对 SiC 的高热通量进行了优化。
图 10：CRD300DA12E-XM3 300 kW 高性能三相逆变器参考设计，功率密度为 32 kW/L [CRD300DA12E-XM3]（左）和 Wieland MicroCool 冷板（右）]
KIT-CRD-CIL12N-XM3（图 11）是一个评估平台，使设计人员能够在发生电感负载开关事件时准确测量 Wolfspeed XM3 功率模块的电压和电流波形。这使得可以在精确的测试条件下计算开关损耗能量，以动态地评估模块，并便于进行模块内比较操作。它对应的栅极驱动器（也显示在图 11 中）是直接安装的双通道隔离栅极驱动器，已专门针对 XM3 功率模块进行了优化。
图 11. 用于 MX3 半桥模块（左）和 CDG12HBXMP XM3 栅极驱动器的 KIT-CRD-CIL12N-XM3 评估平台
此外，SpeedFit 2.0 设计仿真软件有助于加速设计过程，其仿真结果基于计算的损耗、估计的结温和实验室数据，适用于从简单降压/升压转换器到完全双向图腾柱 PFC 设计的各种常见拓扑结构。这有助于验证满足应用场景的模块和器件，同时为不同的器件和配置提供真正的比较性能。
#5 总结
概括而言，符合汽车标准的 EAB450M12XM3 半桥全 SiC 模块中包括具有优化的散热设计的高功率密度封装，可满足各种应用场景（如电机和牵引驱动器、车辆快速充电机和汽车测试设备）的要求。设计人员能在一个易于使用的封装中实现 SiC 的各种优势（高开关频率、低损耗、更高功率和额定温度以及更佳效率和可靠性）。该封装提供的端子设计，可以直接连接母排，而无需折弯或套管，实现了简单的低电感设计。其它与 EAB450M12XM3 相配合的车规级元器件可以通过新设立的 Power Applications Forum （功率应用在线讨论平台）查询。此外，还提供一些参考设计、应用说明和设计资源（如仿真软件），以帮助加速开发流程并为设计人员建立信心。敬请访问 Wolfspeed 网站，了解更多 XM3 功率模块、访问参考设计有关的信息。
英文原稿，敬请访问：
https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/introducing-eab450m12xm3-wolfspeeds-first-automotive-qualified-silicon-carbide-power-module/
该篇文章同时发布在《化合物半导体》杂志 2022 年 8/9 月刊。
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