パワーエレクトロニクスの採用が増加するにつれて、設計エンジニアは、従来よりも効率的なシステムを作成するという課題に常に直面しています。新しい設計に最適なコンポーネントを選択することは、多くの場合大きな課題となりますが、不要なシステムコストをかけずにコンバータの仕様を満たすためには、これを実行することが非常に重要です。Wolfspeedでは、この課題を理解しており、お客様のニーズにより適切に対応できる新しい製品を継続的にポートフォリオに追加しています。
当社の目標は、アプリケーション エンジニアが実装して競合他社よりも効率的で堅牢かつ構成可能な設計を実現できる幅広い製品を提供することです。当社は30年以上にわたりシリコンカーバイド (SiC) の研究開発を行っており、現在のポートフォリオにはさまざまなSiCショットキー ダイオード、MOSFET、および電源モジュールが含まれており、幅広い電力要件をカバーしています。シリコン (Si) トランジスタと比較すると、優れた電流容量とスイッチング損失の低減により、コンバータの効率と電力密度が向上します。これにより、最終的には中電力コンバータ (10 ～ 100 kW) に最適なソリューションが提供されます。このため、Wolfspeedは最近、WolfPACK™ 電源モジュール ファミリを発売しました。これらのモジュールは、従来は並列の個別デバイスの実装を必要としていたコンバーターの理想的な代替品です。
パワーモジュールと個別トランジスタ
中電力アプリケーションでは、ディスクリート実装では通常、スイッチング ノードごとに複数のデバイスが必要になります。並列またはインターリーブのいずれの場合でも、これらの追加デバイスにより、レイアウト、熱管理、絶縁、電磁干渉 (EMI)、信頼性の設計上の課題がさらに増大します。パワーモジュールが提供する主な利点は、これらの課題の複雑さを軽減するように設計されており、（特に個別のトランジスタのアレイを置き換える場合）システム設計の負担を大幅に軽減できることです。図1は、WPACファミリに適した電力出力範囲を概念的に示しています。10 kWを超える電力レベルでは個別ソリューションの複雑さが増すため、WolfPACKファミリのコストがより魅力的になります。
図1. WOLFSPEED WOLFPACKモジュールは、単一のディスクリートMOSFETを超える電力定格向けに設計されており、熱管理とシステム レイアウトの設計を簡素化します。
中電力システムの典型的なディスクリート設計の課題
ディスクリート コンポーネント コンバータを設計する場合、設計者は必要なトランジスタの仕様 (ブロッキング電圧、電流定格、オン状態抵抗、スイッチング エネルギーなど) を慎重に考慮する必要があります。デバイスの選択は通常、大きな設計上の問題であり、パッケージングの制限により、個別のデバイスではスケーラビリティが制限されます。つまり、システムの電力要件を増やしたり、コンバータのより高い出力のバリアントを設計したりするには、通常、大幅な再設計が必要になります。さらに、デバイスの選択を繰り返すことで、新しい、より高い電圧/電流のトランジスタが必要になります。パッケージに対応するには、新しい熱管理、PCBレイアウト、および機械設計が必要になることがよくあります。
代わりに追加のトランジスタを並列に組み込む方法を選択した場合、新たな一連の課題が生じます。たとえば、新しいデバイス、その熱管理、および周辺コンポーネント (ゲート ドライブやパッシブなど) 用に追加のスペースが必要になります。並列トランジスタ間のインダクタンスの不均衡により損失の増加、電圧オーバーシュート、寿命の短縮が発生する可能性があるため、レイアウト上の追加の課題が生じます。言い換えれば、ディスクリートコンバータの出力電力を大幅に拡大することは、新しいコンバータを設計するのと同じくらい難しい場合があります。
コンバータは、より高い電力密度を実現するために、これまで以上に高いスイッチング周波数を目標としており、ディスクリートの設計の課題も増大しています。高いスイッチング周波数を達成するために必要な高速スルーレートは、特にPCBの設計が不十分な場合、制御システムにEMIを誘発する可能性があります。EMIの直接的な脅威は、トランジスタのオンを誘発することであり、これにより、さらなる損失、デバイス寿命の短縮、さらにはコンバータの故障が発生する可能性があります。これらの高速スルーレートでは、敏感な制御システムを電力過渡から保護するために十分な絶縁が必要になるため、ゲート ドライバのコストも増加します。このようなゲート ドライブのコストは、必要な並列トランジスタの数とも相関します。
中電力設計における一般的な故障モードの回避: 浮遊インダクタンスの低減
浮遊インダクタンスの低減はコンバータの設計にとって重要です。PCBトレース、パッケージング、コネクタ、インターフェイス、リード、ワイヤはすべてインダクタンスに寄与するため、電源ループとゲート ループは慎重に設計する必要があります。特に重要なのは、ゲート ループと電源ループを結合し、電源と信号源の接続に共通するインダクタンス (つまり、共通ソース インダクタンス) です。外部LCSを排除できるため、個別のケルビン接続を提供するパッケージが一般的に好まれます。これらの考慮事項はコンバータの設計において常に重要ですが、SiCトランジスタの高い di/dt を利用する場合、これらのインダクタンスはさらに重要な役割を果たします。これは、MOSFETスイッチングによって生成される di/dt によって寄生インダクタンスに電圧 (VL = L × di/dt) が発生し、MOSFETドレインの電圧ピークが増加するためです。したがって、バス電圧とMOSFETブロッキング電圧の間に必要なマージンは、スイッチング速度と寄生インダクタンスに直接相関します。スイッチング速度はスイッチング損失とも相関関係にあるため、スイッチング速度よりも寄生インダクタンスを低減する方がはるかに有益です。これらの影響はデバイスを並列接続するとさらに悪化し、スイッチング過渡時に大きな電流の不均衡が発生することがあります。1
電源モジュールの実装により、これらの設計上の課題の多くが解消され、必要なエンジニアリングの多くがモジュール内ですでに完了しているため、電源およびゲート ループの最適化が容易になります。これにより、コンバーターの設計の複雑さが軽減され、レイアウトの変更が簡素化されます。設計者は、Wolfspeedのデザイン ライブラリでモジュール レイアウトに関する信頼できる経験則を見つけることもできます。2
一般的な故障モードや中電力設計の回避: 簡素化された熱管理
ディスクリートデバイスでは通常、熱インターフェースと熱管理システム間の電圧絶縁が必要です。これは、ヒートシンクまたはコールドプレートが接地される一方で、ディスクリートコンポーネントが高電圧にさらされるためです。パワーモジュールでは、デバイスを銅プレーン（一般にダイレクトボンド銅またはDBCと呼ばれる）を備えた適切なセラミックに取り付けることで、追加の絶縁を設計する必要がなくなります。電源モジュール設計で使用される従来のスタックアップでは、このDBCを金属 (または複合材) ベースプレートに取り付けます。このベースプレートには、モジュールをヒートシンクまたはコールドプレートにボルトで固定するための取り付けポイントが含まれています。ベースプレートを取り付ける際には、圧力が不均一であったり、熱伝導材料 (TIM) が不足または過剰であったりすると、モジュールと熱管理システム間の熱抵抗が増加する可能性があるため、注意が必要です。
これらのインターフェース間の良好な熱伝達には、熱抵抗 (Rth) と熱膨張係数 (CTE) という2つの主な要素が必要です。
Rth は、熱が1つのインターフェースから別のインターフェースにどれだけ容易に伝達されるかを示すモデルです。Rth が高いほど、熱源から抽出できる熱エネルギー (または電力損失) が少なくなることを示します。熱抵抗の値は、接触面積、材料の熱伝導率、および層の厚さによって異なります。ベースプレートを備えたパワーモジュールでは、トランジスタ接合部とケース（ベースプレート）間の熱抵抗（RJC）と、ケースとヒートシンク間の熱抵抗を考慮する必要があります。RJCを低減するために、新しいWolfspeed WolfPACKモジュールはベースプレートをなくし、DBC基板を直接冷却できるようにしました。これにより、トランジスタからの熱伝達が増加し、特定の電力レベルでのチップの接合部温度が低下します (図2)。
図2. 従来のベースプレートマウントチップトポロジー (左) とベースプレートレスWOLFSPEED WOLFPACKモジュールトポロジー (右) の比較。3
通常、SiCダイのCTE (4.0 10–6/K) は、通常窒化アルミニウム (AlN: 4.5 10–6/K) または酸化アルミニウム (Al2O3: 8.2 10–6/K) で構成されるセラミック基板のCTEと一致します。ただし、ベースプレートは、機械的な理由から、通常は銅（Cu: 16.5 10–6/K）またはAl-SiC複合材料（8.4 10–6/K）で作られています。この不一致は、DBCとセラミック間の柔軟性のない結合層と相まって、これらの材料の接合部で応力が増加する可能性があります。DBCとベースプレート間の大きなインターフェースに作用するこれらの熱機械的応力は、はんだ疲労や破損を引き起こす可能性があります。過度の熱サイクルは、はんだ接合部の剥離（熱抵抗が大幅に増加する）を引き起こしたり、脆いセラミックDBCを破損させてモジュールの故障につながる可能性があります。4,5
Wolfspeed WolfPACKの独自のベースプレートレス設計により、不適合な材料への柔軟性のない接続がなくなり、この機械的な故障ポイントが排除されます。ベースプレートの取り付けボルトは、プラスチック ハウジングを引っ張る金属タブに置き換えられ、基板全体に力が均等に分散されます。DBCとヒートシンク間のインターフェースは柔軟なグリース (硬いはんだではなく) であるため、大きなストレスを発生させることなく、材料間の膨張差を許容できます。手動および自動はんだ付けに比べて信頼性に優れていることに加え (表1を参照)、これらのプレスフィット金属タブにより、パワー モジュールの組み立てコストが大幅に削減されます。この取り付け方法により、任意の数のモジュールやその他のコンポーネントを単一のヒートシンクまたはコールドプレートに取り付けることができるため、熱システムの設計が簡素化されます。
表1. さまざまな接触技術の故障率。(出典: SIEMENS NORM SN 29500-5/EDITIONS 2004-06 PART 5)。
設計者は、Wolfspeed WolfPACKを使用してどのようにパワーを拡張できますか?
Wolfspeed WolfPACKモジュールの高電力/高電流機能により、中電力コンバータ (最大100 kW) の設計が大幅に簡素化され、実装が容易なためスケーラビリティが向上し、フットプリントが小さいため、個別コンポーネントや従来の電源モジュールと比較して電力密度を高めることができます。WolfspeedのWolfPACKモジュールは、さまざまな仕様と構成で提供されており、現場で簡単に構築および保守でき、信頼性の高い多くの種類の電力システムを迅速に開発できます。最大定格ドレイン・ソース電圧（V DS）1,200 VおよびDC連続ドレイン電流（Iだ) は30 Aから最大100 Aまでの範囲で提供され、これらのモジュールは中電力システムの構成要素として容易に使用できます。さらに、WolfspeedのWolfPACKモジュールは、モジュール設計によりインターリーブと並列化によるシステムの拡張がはるかに簡単になる、極めてスケーラブルなソリューションです。
中出力DC/DCコンバータは、EV充電、太陽エネルギー転送/貯蔵、電源など、さまざまなアプリケーションで必要です。たとえば、任意の数の電力位相レッグを並列に接続して最大出力電流/電力能力を拡大し、電流リップルを低減することで、多相インターリーブの双方向DC/DCコンバータを実現できます (図3)。3相インターリーブDC/DCコンバータのスイッチのゲート信号は120°位相シフトされている。° 低周波高調波をキャンセルします。インターリーブは、コントローラーと熱システムにわずかな変更を加えるだけで実現できます。出力電力は60キロワット以上に達しますが、それでもSiCダイの最大接合温度をはるかに下回るため、システムは動作寿命全体にわたって確実に機能します。インターリーブは、並列デバイスの課題の一部を回避し、システム パフォーマンスを向上させ、出力インダクタのサイズを縮小するための優れた戦略です。
図3. 基本的なインターリーブDC/DCコンバータの概略図。
この同じインターリーブ手法をさまざまなコンバーターおよびインバーター アーキテクチャに適用して、電気的および熱的性能を犠牲にすることなく、確実に電力を拡張できます。SiCテクノロジーの利点とベースプレートのないWolfspeed WolfPACKファミリーの簡素化された熱管理を組み合わせることで、幅広い出力電力範囲を備えたコンバーター ファミリーの導入がこれまでになく容易になります。
シンプルなスケーラビリティは、ベースプレートレス電源モジュールのWolfspeed WolfPACKファミリの特徴の1つです。前述したように、モジュールをインターリーブまたは並列化することは、システムの電力能力を高める1つの方法です。ただし、FM3ベースのシステムの電力定格を拡大する最も簡単な方法の1つは、ソリューションにGM3を挿入することです。しかし、スケーラビリティは単にパワーに関するものではなく、オプションに関するものです。つまり、スケーラブルなシステムで何を達成しようとしているかに応じて、現在のソリューションのパフォーマンスを向上できるオプションです。
GM3をシステムに挿入することでどのようなメリットが得られるかを理解するために、以下に示す一般的な2レベル グリッド接続インバータまたはAFEシステムを、次のパラメータで考えてみましょう: 800 VDC バス電圧、480 VAC ライン間RMSグリッド電圧、周囲温度Tamb = 50 °C、ライン インダクタL = 100 µH。各ブリッジ レグは、ハーフ ブリッジFM3またはGM3 Wolfspeed Wolfpack™ 電源モジュールを表します。
図4. 2レベル グリッド接続インバータまたはAFEシステム。
この調査では、CAB011M12FM3 (11 mΩ) をベースラインのFM3ベースのソリューションとして検討します。上記で定義したシステムパラメータを使用し、比較的高いスイッチング周波数50 kHzで動作させると、半導体損失により最大接合部温度150 °Cに達する前に75 kWの電力定格を達成できます。
まったく同じ75 kW / 50 kHzシステムにCAB008M12GM3 (8 mΩ) を挿入すると、依然として98.9% という非常に高いシステム効率が実証されますが、デバイスの接合部温度はわずか114 °Cに低下します。この低い温度でデバイスを動作させることにより、寿命や信頼性が向上したり、オーバーヘッドや過負荷能力が向上したりします。あるいは、接合部温度を上げてシステムの電力定格を上げる余地があることは明らかであり、この場合は100 kW (50 kHz / Tj = 150 °C) まで上げることができます。
CAB006M12GM3 (6 mΩ) を挿入することで、これまでに説明したシステムよりもパフォーマンスをさらに向上させることができます。同様に、デバイスの動作接合部温度は、所定の電力定格に対して低下する可能性があります。あるいは、システムの電力定格を上げるか、動作スイッチング周波数を上げることによって、追加の接合部温度マージンをさらに活用することもできます。GM3プラットフォームが提供するスケーラビリティ オプションを示すために、この比較研究の概要を以下に示します。
図5. GM3のスケーラビリティを示す比較研究の結果。
実証されているように、より大きなGM3プラットフォームを挿入するとFM3ベースのソリューションの電力定格が向上することは明らかですが、スケーラブルなソリューションにもたらされるメリットはこれだけではありません。設計目標に応じて、動作接合温度を下げてシステムの堅牢性を高めたり、スイッチング周波数を上げて磁気コンポーネントのサイズ/コストを削減し、制御帯域幅を改善したりすることが、スケーラブルなシステムにとって非常に望ましいパフォーマンス強化となる可能性があります。いずれにせよ、GM3プラットフォームは、設計者にパワーエレクトロニクス システムを簡単に拡張するためのオプションを提供します。
図6. GM3 WOLFSPEED WOLFPACK™ プラットフォームを使用してシステムを簡単に拡張できます。
モジュール サイズやアクティブ ダイ領域を増やすこと以外に、スケーラビリティを促進するもう1つの戦略として、パワー モジュールの材料スタックアップを選択することが挙げられます。ベースプレートがない場合、この選択の自由度は実際には2つしかありません。これらはどちらもモジュールの全体的な熱抵抗に大きく影響します。熱伝導材料 (TIM) と基板セラミック材料です。グラフからわかるように、TIM層は、接合部からヒートシンクまでの全体的な熱抵抗 (RthJH) の最大60% を占める可能性があります。エンド ユーザーにTIMの選択に関しては多くの選択肢がありますが、非常に高性能なサーマル ペースト材料を使用した場合でも、TIM層の寄与に大きな影響を与えることは困難です。しかし、もう1つの自由度であるセラミック基板は、次に説明するように、全体的な熱抵抗値を大幅に低下させる可能性があります。
図7. 典型的なRTHJH 分布。
Wolfspeed WolfPACKファミリーの一般的なセラミック基板は、ベースプレートレス モジュール ファミリーに適した非常に優れたコスト パフォーマンスのトレードオフを提供する酸化アルミニウム (Al2O3) です。しかし、顧客は、窒化アルミニウム (AlN) が比較的低コストでパフォーマンスに大きな影響を与えることができることを理解しています。Al2O3と比較して熱伝導率が7倍高いため、その影響は簡単に理解できます。熱抵抗が低減し、一定の損失に対するTjが低下し、一定の損失に対するPC寿命が延び、SiC性能のより高い利用が可能になります。
これは、800Vで動作する2レベルグリッド接続インバーターを検討することで再び実証されます。直流 バス電圧、480 V交流 線間RMSグリッド電圧、周囲温度T午前 = 50 ° C、およびラインインダクタL = 100 µH。前回のスケーラビリティ調査と同様に、6 mΩ GM3にAlN基板を使用すると、電力、スイッチング周波数、接合部温度の3つの変数にわたってスケーリングできるようになります。これにより、より多くの使用可能電流容量を必要とする顧客向けのソリューションが可能になり、また、一部のユースケースでは、動作接合部温度を下げて寿命を延ばしたり、ヒートシンク温度を高くしたり（コスト削減）することもできます。
図8. GM3のスケーラビリティを示す比較研究の結果。
Wolfspeed WolfPACKは、シリコンカーバイド技術投資の歴史に基づいて構築された新しいデザインを提供します
WolfspeedのWolfPACK電源ポートフォリオは、シリコンカーバイドの研究開発への数十年にわたる投資の集大成であり、ベースプレートのない設計と相まって、OEMおよび設計エンジニアに幅広い業界セグメントにわたるユースケースをサポートするための最大限の選択肢を提供します。
複数のSiC MOSFETをコンテナ内に収容し、外部PCBとのインターフェースにプレスフィット式のはんだ付け不要のピンを提供することで、設計者の柔軟性と拡張性が向上します。Wolfspeed WolfPACKファミリのパワーモジュールは、ハーフブリッジ、フルブリッジ、6パック、バック/ブースト レイアウトなど、MOSFETの内部配置に基づいて最適化されたアプリケーション固有のピン配置を備えています。Wolfspeed WolfPACKハウジングの底部には、ベースプレートの代わりに、電気的に絶縁されたモジュール底部にセラミック基板が採用されており、スプリング力を利用してヒートシンクと接続する金属製の取り付けタブが付いています。このアプローチにより、モジュールの底部に沿って圧力が均等に分散され、ヒートシンクとの良好な熱接触が確保されると同時に、ヒートシンク、モジュール、PCB間の堅固で堅牢な機械的リンクが実現します。
ベースプレートのない小さなフットプリントで高電力密度を実現し、SiCテクノロジーと組み合わせることで、コンパクトなレイアウト、より高速でクリーンなスイッチングが可能になり、設計者は最大25% のサイズ削減を実現できます。Wolfspeed WolfPACKモジュールは、電力密度の利点に加えて、システム レイアウトと組み立てプロセスを合理化します。これにより、中電力アプリケーションに携わるエンジニアは、設計の複雑さを最小限に抑えながら電力密度を最大化できるようになります。
Wolfspeed WolfPACKの本質的なシンプルさは、生産パイプラインの加速とシステム組み立てコストの削減に役立つ高いレベルのスケーラビリティをサポートすると同時に、幅広い選択肢も提供します。これらの新しいWolfspeed WolfPACKモジュールは、すべてSiC MOSFETハーフブリッジ構成とすべてSiC MOSFET 6パック構成で提供され、さまざまなモジュール抵抗オプションが用意されています。
選択肢と信頼性を提供するパワーモジュール
Wolfspeed WolfPACKモジュールの新しいファミリは、1キロワットの設計からメガワットのシステムまで、あらゆる規模の今日の設計者に幅広いアプリケーションを網羅する電源ポートフォリオを提供します。
業界をリードするWolfspeedのシリコンカーバイド技術を基盤として構築されたこれらのモジュールは、小型パッケージで非常に低い損失を実現し、自動化や大規模な製造に非常に適しており、エネルギー変換システムにクリーンで信頼性の高い電力を提供します。
詳細情報やデータシート、資料の内容、アプリケーション ノートについては、 www.wolfspeed.com/wolfpack をご覧ください。
参考文献
- https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/demystifying-pcb-layout-methodologies-for-sic-gate-drivers
- https://www.wolfspeed.com/downloads/dl/file/id/1971/product/745/cpwr_an45_wolfspeed_wolfpack_trade_application_note.pdf
- https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/enabling-system-upgrades-with-sic-technology-using-industry-standard-base-plate-less-packaging
- A. Zeanh他、「航空用途向けIGBTモジュールの熱機械モデリングと信頼性研究」、 EuroSimE 2008 - マイクロエレクトロニクスとマイクロシステムにおける熱、機械、マルチフィジックスのシミュレーションと実験に関する国際会議、フライブルク イム ブライスガウ、2008年、pp. 1～7。
- Mauro Ciappa、「最新のパワーモジュールの特定の故障メカニズム」、Microelectronics Reliability、第42巻、第4 ～ 5号、2002年、653 ～ 667ページ、ISSN 0026-2714、https://doi.org/10.1016/S0026-2714(02)00042-2。