中電力用途は、Wolfspeed WolfPACKパワーモジュールの得意分野です。

私たちの目標は、アプリケーションエンジニアが競合他社よりも効率的で堅牢かつ柔軟な設計を実現できるよう、多岐にわたる製品を提供することです。シリコンカーバイド（SiC）の研究開発に30年以上取り組んできた当社の現在の製品ラインアップには、さまざまなSiCショットキーダイオード、MOSFET、および幅広い電力要件をカバーするパワーモジュールが含まれています。シリコン（Si）トランジスタと比較すると、優れた電流容量と低スイッチング損失により、変換器の効率と電力密度が向上します。これにより、最適な中電力変換器（10〜100 kW）のソリューションが提供されます。このため、Wolfspeedは最近、WolfPACK™パワーモジュールファミリーを発表しました。これらのモジュールは、従来は並列のディスクリートデバイスを実装する必要があった変換器に最適な代替品となります。

パワーモジュールとディスクリートトランジスタの比較

中電力アプリケーションでは、ディスクリート実装において通常、スイッチングノードごとに複数のデバイスが必要となります。これらの追加デバイスは、並列でもインターリーブでも、レイアウト、熱管理、絶縁、電磁干渉（EMI）、信頼性といった設計課題をさらに複雑化させます。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いる点にあります。（特に多数のディスクリートトランジスタを置き換える場合）システム設計の負担を大幅に軽減することができます。図1は、WPACファミリーに適した電力出力範囲を概念的に示しています。ディスクリートソリューションの複雑さは、電力レベルが10 kWを超えると増加し、WolfPACKファミリーのコスト面での魅力が増します。

中程度の電力システムにおける典型的な個別設計の課題

ディスクリート部品コンバータを設計する際には、設計者は必要なトランジスタの仕様（例えば、遮断電圧、定格電流、オン状態抵抗、スイッチングエネルギー）を慎重に検討する必要があります。デバイスの選定は通常、大きな設計課題となり、パッケージの制約によりディスクリートデバイスは拡張性が制限されます。これは、システムの電力要件を増加させたり、コンバータの高出力バリアントを設計したりする場合に、一般的に大幅な再設計が必要になることを意味します。さらに、新しい高電圧／高電流のトランジスタが必要となり、デバイス選定をやり直す必要があります。また、新しい熱管理、PCBレイアウト、そしてパッケージに対応するための機械的設計がしばしば必要になります。

代わりに追加のトランジスタを並列に組み込む手法を選んだ場合、新たな課題が発生します。例えば、新しいデバイスのための追加スペース、熱管理、そしてゲートドライブや受動部品（パッシブ）などの周辺部品が必要になります。さらに、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、および寿命の短縮が引き起こされるため、レイアウトに関する追加の課題が生じます。言い換えると、ディスクリートコンバータの出力を大幅にスケールアップすることは、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。

中電力設計における一般的な故障モードの回避: 漏れインダクタンスを減らす

寄生インダクタンスの低減はコンバータ設計において極めて重要です。PCBトレース、パッケージング、コネクタ、インターフェース、リード、ワイヤなどがインダクタンスに寄与し、電力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、ゲートループとパワーループを結合させるインダクタンスで、電源接続と信号源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。独立したケルビン接続を提供するパッケージは、外部の_LCSを排除できるため、一般的に好まれます。これらの考慮事項は常にコンバータ設計において重要視されてきましたが、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のスイッチングによって発生するdi/dtが寄生インダクタンスによって電圧を誘導する（V_L = L × di/dt）ためであり、これがMOSFETドレインにおける電圧ピークを増加させるためです。そのため、バス電圧とMOSFETの耐圧との間に必要な余裕は、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するため、スイッチング速度を低減する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、デバイスを並列に使用する場合にさらに悪化する可能性があります。スイッチング過渡において、顕著な電流不均衡が発生する場合があるからです。¹

パワーモジュールの実装により、これらの設計上の課題の多くを解消し、必要なエンジニアリングのほとんどがモジュール内で既に達成されているため、電力ループやゲートループの最適化が容易になります。これにより、コンバータ設計の複雑さが軽減され、レイアウトの変更も簡素化されます。設計者は、Wolfspeedのデザインライブラリ²において、モジュールレイアウトに関する信頼性の高い経験則も見つけることができます。

一般的な故障モードや中程度の電力設計を回避する: 簡易的な熱管理

ディスクリートデバイスは、通常、その熱インターフェースと熱管理システムの間で電圧絶縁が必要です。これは、ヒートシンクやコールドプレートが接地されている一方で、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。パワーモジュールを使用することで、適切なセラミックに銅層 (一般的には直接結合銅、DBC と呼ばれる) を取り付けることにより、追加の絶縁設計の必要性を排除します。パワーモジュール設計で一般的に使用される従来の積層構造は、このDBCを金属（または複合材料）のベースプレートに取り付けることで構成されており、ヒートシンクやコールドプレートにボルトで固定するためのマウント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、均一でない圧力や不適切な量の熱インターフェース素材 (TIM) が熱抵抗を増大させてしまい、モジュールと熱管理システム間の効率が低下する恐れがあるため、注意が必要です。

これらのインターフェース間で良好な熱伝導を実現するためには、主に2つの要素が必要です: 熱抵抗 (R_th) と熱膨張係数 (CTE)。

R_thは、あるインターフェースから別のインターフェースへ熱がどれだけ容易に伝達されるかを示すモデルです。R_thが高いほど、熱源から取り出せる熱エネルギー（または電力損失）が少なくなります。熱抵抗の値は接触面積、素材の熱伝導率、層の厚さによって決まります。ベースプレート付きのパワーモジュールにおいては、トランジスタ接合部とケース（ベースプレート）の間の熱抵抗（R_JC）、およびケースとヒートシンクの間の熱抵抗を考慮する必要があります。R_JC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排除し、DBC基板を直接冷却できるように設計されています。これにより、トランジスタからの熱伝達が向上し、一定の電力レベルにおけるチップの接合部温度を下げることが可能になります（図2）。

通常、SiCダイの熱膨張係数（CTE: 4.0 × 10^–6/K）は、セラミック基板のCTEに合わせられます。この基板は通常、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）で構成されています。しかしながら、ベースプレートは一般的に機械的理由から、銅（Cu: 16.5 × 10^–6/K）またはアルミニウム-シリコンカーバイド複合材料（Al-SiC: 8.4 × 10^–6/K）で製造されます。この不一致に加え、DBC（ダイレクトボンデッド銅）とセラミックの間の硬直した接着層が存在すると、これらの材料の接点において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界面に作用するこれらの熱機械的応力は、はんだ疲労や亀裂を引き起こすことがあります。十分な熱サイクルが加わると、はんだ接合部の剥離（これにより熱抵抗が大幅に増加します）が発生したり、脆いセラミックDBCが破損し、最終的にはモジュールの故障を引き起こすことがあります。^4,5

Wolfspeed WolfPACK のユニークなベースプレートレスデザインは、不適合な素材への硬直した接続を排除することで、この機械的故障点をなくします。ベースプレート取り付けボルトは、プラスチック製の筐体を引っ張る金属タブに置き換えられ、力を基板全体に均等に分散します。DBC とヒートシンク間のインターフェースには硬いはんだではなく柔軟性のあるグリースが使用されているため、材料間の異なる膨張を許容し、大きな応力を引き起こすことを防ぎます。手動および自動はんだ付けによる信頼性の利点（表 1 を参照）に加えて、これらのプレスフィット金属タブは、パワーモジュールの組み立てコストを大幅に削減します。この取り付け方法は、任意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へ取り付けるのを容易にするため、熱システム設計を簡素化します。

デザイナーはWolfspeed WolfPACKでどのようにパワーを拡大できるのか？

Wolfspeed WolfPACKモジュールの高電力/高電流能力により、最大100 kWの中電力コンバータの設計が大幅に簡素化されます。その実装の容易さは、より拡張性を持たせることを可能にし、小型のフットプリントは、従来のディスクリート部品や従来型のパワーモジュールと比較して高い電力密度を実現します。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、多くの種類の電力システムの迅速な開発を可能にします。それらは、簡単に構築および保守ができる一方で、現場での信頼性が非常に高いです。最大定格ドレイン－ソース電圧（V_DS）が1,200 V、直流連続ドレイン電流（I_D）が30 Aから100 Aの範囲であるため、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組み込むことができます。さらに、WolfspeedのWolfPACKモジュールは非常にスケーラブルなソリューションであり、モジュール設計により、システムをインターリーブや並列化を通じて拡張することがはるかに簡単になります。

中程度の電力DC/DCコンバーターは、EV充電、太陽エネルギー移送/蓄電、そして電源供給など、多くの用途で必要とされています。例えば、多相インターリーブ型双方向DC/DCコンバーターは、任意の数のパワーフェーズレッグを並列に接続することで、最大出力電流/電力能力を拡張しながら電流リップルを減少させることが可能です（図3）。三相インターリーブDC/DCコンバーターのスイッチ用のゲート信号は、低周波動の除去のために120°の位相シフトが施されています。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改良を加えるだけで実現することが可能です。出力電力は60kW以上に達する場合でも、SiCダイの最大接合温度を十分に下回るため、システムがその稼働寿命を通じて安定して機能することが可能です。インターリーブは、デバイス並列化の課題を回避しつつ、システム性能を向上し、出力インダクタサイズを削減するための良策です。

この同じインターリービング手法は、さまざまなコンバーターおよびインバーターのアーキテクチャに適用することができ、電気的および熱的性能を犠牲にすることなく、安定して電力を拡張することが可能です。SiC技術の恩恵やベースプレートレスのWolfspeed WolfPACKファミリーによる簡略化された熱管理と相まって、広い出力電力範囲を持つ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した！

シンプルなスケーラビリティは、Wolfspeed WolfPACKファミリーのベースプレートレス電力モジュールの特徴の1つです。前述のとおり、モジュールをインターリーブまたは並列に接続することで、システムの電力能力を向上させる方法があります。しかし、FM3ベースのシステムの電力定格をスケールアップする最も簡単な方法の1つは、GM3をソリューションに組み込むことです。しかし、スケーラビリティは単に電力の問題だけではありません。それは選択肢に関することでもあり、現在のソリューションの性能を向上させる可能性がある選択肢となり得ます。これは、スケーラブルなシステムで実現しようとしている内容に依存しています。

GM3をシステムに挿入することで得られるメリットを理解するために、以下のパラメーターを持つ典型的な2レベルのグリッド連系インバーターまたはAFEシステムを考えてみましょう: 800 V_DC バス電圧、480 V_AC ライン間RMSグリッド電圧、周囲温度 T_amb = 50 °C、そしてラインインダクタンス L = 100 µH。それぞれのブリッジレッグは、Wolfspeed Wolfpack™パワーモジュールのハーフブリッジFM3またはGM3を表しています。

本研究では、CAB011M12FM3（11 mΩ）を基準となるFM3ベースのソリューションとして検討します。上記で定義されたシステムパラメータで、比較的高いスイッチング周波数である50 kHzで動作する場合、半導体損失による最大接合温度150 °Cに達する前に、75 kWの定格出力が実現可能です。

75kW / 50kHzのまったく同じシステムにCAB008M12GM3（8mΩ）を組み込むと、システム効率が非常に高い98.9%を維持しますが、デバイスの接合部温度はわずか114°Cに低下します。この低温度で動作することで、寿命や信頼性が向上したり、余裕や過負荷対応能力が増加したりする可能性があります。また、接合部温度を上げてシステムの定格出力を増加させる余地があるのは明らかであり、この場合、定格出力を100kW（50kHz / Tj = 150°C）に増加させることができます。

さらに性能を向上させるために、先に議論されたシステムにCAB006M12GM3 (6 mΩ)を挿入することで実現できるでしょう。同様に、デバイスの動作接合温度を特定の電力定格に対して削減することが可能となります。または、余分な接合温度の余裕を活用し、システムの電力定格を増加させたり、動作のスイッチング周波数を高めたり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のオプションを示すための、この比較研究の概要を以下に示します。

より大きなGM3プラットフォームを挿入することがFM3ベースのソリューションの出力を向上させる可能性があることは明らかですが、実演された通り、それはスケーラブルなソリューションにおいて提供される唯一の利点ではありません。設計目標に応じて、動作接合部温度を下げてシステムの堅牢性を向上させる、あるいは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やコストを削減し、制御帯域幅を改善することが、どちらもスケーラブルなシステムにとって非常に望ましい性能向上となり得ます。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容易にスケールする選択肢を提供します。

モジュールサイズやアクティブなダイ面積を増加させる以外に、スケーラビリティを促進するためのもう一つの戦術として、パワーモジュールの材料構成の選択があります。ベースプレートなしの場合、この選択肢には実際に2つの自由度しかなく、どちらもモジュールの全体的な熱抵抗に大きく寄与します。それは、熱インターフェース材料（TIM）と基板セラミック材料です。チャートからわかるように、TIM層は全体の接合部からヒートシンクまでの熱抵抗（R_thJH）の最大60%を占めることがあります。最終ユーザーはTIMの選択肢が多数ありますが、非常に高性能な熱ペースト材料を使用したとしても、TIM層の寄与に大きな影響を与えるのは難しいです。しかしながら、もう一つの自由度であるセラミック基板は、次に探るように、全体的な熱抵抗値を劇的に減少させることが可能です。

Wolfspeed WolfPACKファミリーにおける典型的なセラミック基板としては、酸化アルミニウム (Al₂O₃) が採用されています。これは、このベースプレートレスモジュールファミリーに非常に適したコストと性能のバランスを提供するためです。しかし、アルミニウム窒化物 (AlN) が比較的低コストの増加で大きな性能向上を提供できることをお客様は理解しています。Al₂O₃ と比較して熱伝導率が7倍高いことから、その影響は簡単に理解できます。具体的には、熱抵抗の低減、損失に対するジャンクション温度（Tj）の低下、損失に対するPCの寿命向上、SiCの性能を最大限に活用する能力の向上といった利点があります。

これは、800 V_DC バス電圧、480 V_AC ライン間RMSグリッド電圧、周囲温度T_amb = 50 °C、およびインダクタンスL = 100 µHのラインインダクタを持つ2レベルのグリッド結合型インバータを考慮することによって再び示されています。以前のスケーラビリティ研究と同様に、6 mΩ GM3にAlN基板を使用することで、電力、スイッチング周波数、および接合部温度という3つの変数にわたってスケーリングする能力を生み出します。これにより、より多くの使用可能な電流容量を必要とする顧客に対し解決策を提供したり、あるいは特定の使用ケースでは、動作接合部温度を下げて寿命を向上させたり、ヒートシンク温度を上げる（コスト削減）ことを可能にしたりします。

Wolfspeed WolfPACKは、シリコンカーバイド技術への投資の歴史を基盤にした新しい設計を提供します

WolfspeedのWolfPACKパワーポートフォリオは、シリコンカーバイドの研究開発に数十年にわたる投資を行った成果であり、ベースプレートレスデザインを組み合わせることで、OEMや設計技術者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も多くの選択肢を提供します。

デザイナーにとっての柔軟性とスケーラビリティの向上は、複数のSiC MOSFETをコンテナ内に収容し、外部のPCBと接続するためのプレスフィット形式のピンやはんだを必要としないピンを提供することで可能となります。Wolfspeed WolfPACKシリーズのパワーモジュールは、内部に配置されたMOSFETに基づき最適化された用途特化のピンアウトを特徴としています。これには、ハーフブリッジ、フルブリッジ、シックスパック、バック/ブーストのレイアウトが含まれます。ベースプレートの代わりに、Wolfspeed WolfPACKの筐体の底部にはセラミック基板が使用され、モジュール底部は電気的に絶縁されており、金属製の取り付けタブがスプリングフォースを活用してヒートシンクとの接続を行います。このアプローチによりモジュール底部に均等な圧力を分散させ、ヒートシンクとの良好な熱接触が確保されるだけでなく、ヒートシンク、モジュール、PCB間にしっかりとした堅固な機械的つながりを提供します。

高い電力密度を備えた小型のベースプレートなしのフットプリントとSiC技術を組み合わせることで、コンパクトなレイアウト、高速かつクリーンなスイッチングが可能になり、設計者には最大25%のサイズ削減を提供します。電力密度の利点に加え、Wolfspeed WolfPACKモジュールはシステムのレイアウトと組み立てプロセスを効率化します。これにより、中電力アプリケーションで作業するエンジニアは、設計の複雑さを最小化しながら電力密度を最大化することが可能になります。

Wolfspeed WolfPACKの本質的なシンプルさは、スケーラビリティの高いレベルをサポートし、生産ラインの加速を助けるとともに、システム組立コストを低減し、幅広い選択肢を提供します。これらの新しいWolfspeed WolfPACKモジュールは、すべてSiC MOSFETのハーフブリッジ構成と、すべてSiC MOSFETの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。

選択と信頼性を提供するパワーモジュール

新しいWolfspeed WolfPACKモジュールのファミリーは、現代の設計者に向けた幅広いアプリケーションを網羅するパワーポートフォリオを提供します。それは、シングルキロワット設計からメガワットシステム、そしてその中間にあるすべてを対象としています。

Wolfspeedの業界をリードする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、非常に低い損失を提供し、小型パッケージ内に収められています。そのため、大規模な自動化と製造に非常に適しており、エネルギー変換システムに向けたクリーンで信頼性の高い電力を提供します。

データシート、材料コンテンツ、アプリケーションノートに関する詳細情報は、www.wolfspeed.com/wolfpack をご訪問ください。

参考文献