Модуль Wolfspeed на 3.3 кВ убирает стек ключей из силового плеча
Большой HAB900C33LM4 выглядит как привычный силовой модуль с медным основанием: 144 × 100 × 40 мм, 745 г, выводы под шину и радиатор. Но его паспортная сцена уже относится к другой энергетике: полумост блокирует 3.3 кВ, а длительный ток 908 А указан при температуре корпуса 90 °C, затворе 18 В и температуре перехода до 175 °C. Такой компонент рассчитан на место, где постоянная шина измеряется киловольтами, а ток — сотнями ампер.
Один модуль вместо последовательной цепочки
На шине около 2 кВ кремниевые и низковольтные SiC-ключи приходится включать последовательно. Тогда каждому транзистору нужны свои цепи выравнивания напряжения, точная синхронизация затворов и защита от перекоса во время коммутации. Модуль с блокировкой 3.3 кВ позволяет поставить один высоковольтный модуль на каждое ключевое положение двухуровневого преобразователя. Полумост, разумеется, по-прежнему содержит верхний и нижний ключи; исчезает именно последовательный стек внутри каждого из них.
Wolfspeed выпустила для этой задачи две конструктивно разные серии. HAB900C33LM4 — высокотоковый полумост на основании для преобразователей свыше 800 А: тяговых приводов, накопителей, ветровой и солнечной инфраструктуры. Второй вариант, IBB020A33GM4, несёт в корпусе без металлического основания полный мост. Он рассчитан на 95 А при температуре теплоотвода 75 °C и занимает по основному контуру 62.8 × 56.7 мм. Полный мост в компактном корпусе удобен для набора ячеек среднего напряжения и твердотельных трансформаторов, где мощность растёт повторением одинаковых узлов.
Киловольты переносят сложность в шины и изоляцию
Цена упрощённой топологии никуда не исчезает: она переезжает в компоновку. У HAB типичная паразитная индуктивность контура DC-link заявлена 9.5 нГн. При сотнях ампер даже такой контур создаёт выбросы во время быстрого переключения, поэтому конденсатор шины должен стоять вплотную к модулю, а ширина дорожек и геометрия шин становятся частью схемы. Типовое сопротивление открытого кристалла составляет 2.0 мΩ на ключ при 25 °C; в реальном расчёте его нельзя умножить на паспортный ток без учёта нагрева, модуляции и сопротивления корпуса.
Высоковольтный модуль заставляет столь же внимательно проектировать изоляцию. Для HAB указаны 6 кВ AC в течение минуты между выводами и основанием, а пути утечки составляют 23 мм между терминалами и 45 мм до основания. Эти цифры объясняют крупный корпус: на 3.3 кВ расстояния в воздухе и по поверхности изолятора уже нельзя оставить побочным следствием плотной компоновки.
Что обещано паспортом, а что остаётся заявлением
В WolfPACK применены AlN-подложка, спечённое крепление кристалла и эпоксидная заливка; у высокотокового LM есть медное основание и спечённое соединение. Производитель связывает такую сборку с лучшей стойкостью к силовым термоциклам, однако численный ресурс в даташитах не приведён. Заявления о снижении коммутационных потерь до 42% относительно других SiC-решений и более чем на 90% относительно IGBT относятся к условиям Wolfspeed: шина 1.8 кВ, температура 125 °C и одинаковый корпус. Без тока, частоты, драйвера и данных конкурента эти проценты нельзя переносить в готовый инвертор.
Паспортные документы пока имеют статус Preliminary. Рейтинг 3.3 кВ также не разрешает подключать модуль прямо к шине 3.3 кВ: запас должны съесть рабочее напряжение, коммутационные выбросы, старение изоляции и условия сети. Однако сама возможность собрать двухуровневый преобразователь от 2 кВ на одном модуле в каждой позиции ключа меняет привычную точку проектирования. Вместо борьбы за равномерность целой последовательной цепочки инженер получает один очень горячий, очень высоковольтный и тщательно обвязанный силовой узел.