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作者：Pierre Delatte ，CISSOID首席技術(shù)官 當前，新型快速開(kāi)關(guān)的碳化硅（SiC）功率晶體管主要以分立器件或裸芯片的形式被廣泛供應，SiC器件的一系列特性，如高阻斷電壓、低導通電阻、高開(kāi)關(guān)速度和耐高溫性能，使系統工程師能夠在電機驅動(dòng)控制器和電池充電器的尺寸、重量控制和效率提升等方面取得顯著(zhù)進(jìn)展，同時(shí)推動(dòng)SiC器件的價(jià)格持續下降。然而，在大功率應用中采用SiC還存在一些重要的制約因素，包括經(jīng)過(guò)良好優(yōu)化的功率模塊的可獲得性，還有設計高可靠門(mén)級驅動(dòng)的學(xué)習曲線(xiàn)。智能功率模塊（IPM）通過(guò)提供高度集成、即插即用的解決方案，可以加速產(chǎn)品上市并節省工程資源，從而能夠有效地應對上述兩項挑戰。 本文討論了在電動(dòng)汽車(chē)應用的功率轉換器設計中選擇CISSOID三相全橋1200V SiC MOSFET智能功率模塊（IPM）體系所帶來(lái)的益處，尤其表現在該體系是一個(gè)可擴展的平臺系列。該體系利用了低內耗技術(shù)，提供了一種已整合的解決方案，即IPM；IPM由門(mén)極驅動(dòng)電路和三相全橋水冷式碳化硅功率模塊組成，兩者的配合已經(jīng)過(guò)優(yōu)化和協(xié)調。本文不僅介紹了IPM的電氣和散熱特性，還討論了IPM如何實(shí)現SiC器件優(yōu)勢的充分利用，及其中最為關(guān)鍵的因素，即使門(mén)極驅動(dòng)器設計及SiC 功率電路驅動(dòng)安全、可靠地實(shí)現。 
圖1 CXT-PLA3SA12450AA三相全橋1200V/450A SiC智能功率模塊IPM 憑借低內耗和增強的熱穩定性實(shí)現更高的功率密度 CXT-PLA3SA12450AA是CISSOID三相全橋1200V SiC智能功率模塊（IPM）體系中的一員，該體系包括了額定電流300A到600A的多個(gè)產(chǎn)品。這款三相全橋IPM具有較低導通損耗（Ron僅為3.25mΩ）、較低開(kāi)關(guān)損耗，在600V/300A時(shí)開(kāi)啟和關(guān)斷能量分別為7.8mJ和8mJ（見(jiàn)表1）。相比最先進(jìn)的IGBT功率模塊，同等工況下的開(kāi)關(guān)損耗降低了至少三分之二。CXT-PLA3SA12450AA通過(guò)一個(gè)輕量化的鋁碳化硅（AlSiC）針翅底板進(jìn)行水冷，結到流體的熱阻（Rjl）為0.15°C/W。CXT-PLA3SA12450AA的額定結溫高達175°C，門(mén)柵極驅動(dòng)電路可以在高達125°C的環(huán)境中運行。該IPM能夠承受高達3600V的隔離電壓（已經(jīng)過(guò)50Hz、1分鐘的耐壓測試）。 表1 CXT-PLA3SA12450AA三相1200V/450A SiC MOSFET智能功率模塊的主要特性
三維模型和可信賴(lài)的散熱特性使快速地實(shí)現功率轉換器設計成為可能 CXT-PLA3SA12450AA的一大優(yōu)勢，即門(mén)級驅動(dòng)和功率部分（含有AlSiC針翅水冷底板）高度集成。該特點(diǎn)使得IPM與電驅總成的其他部分，如直流電容、冷卻系統可以快速結合，如圖2所示。CISSOID提供了各個(gè)部件的精確的3D參考設計，客戶(hù)的系統設計人員由此作為起點(diǎn)，可在極短的時(shí)間內實(shí)現目標系統設計。 IPM充分利用了SiC功率器件的低導通和低開(kāi)關(guān)損耗特性，并與門(mén)級驅動(dòng)進(jìn)行了系統級的協(xié)調以獲得整體性能的最佳優(yōu)化，在提供最優(yōu)性能的同時(shí)，也有效地降低了散熱系統的空間占用，并提高了功率轉換器的效率。
圖2 CXT-PLA3SA12450AA與DC電容和水冷的集成 在Rjl（結到流體熱阻）為 0.15°C/W，流速為10L/min（50％乙二醇，50％水），入口水溫75°C的條件下，可以計算出最大連續漏極電流允許值與外殼溫度之間的關(guān)系（基于最高結溫時(shí)的導通電阻和最大工作結溫來(lái)計算），如圖3所示。
圖3 CXT-PLA3SA12450AA最大連續漏極電流允許值與外殼溫度之間的關(guān)系 最大連續漏極電流（允許值）有助于理解和比較功率模塊的額定電流；品質(zhì)因數（Figure of Merit ，FoM）則揭示了相電流均值與開(kāi)關(guān)頻率的關(guān)系，如圖4所示。該曲線(xiàn)是針對總線(xiàn)電壓600V、外殼溫度90°C、結溫175°C和占空比為50％的情況計算的。FoM 曲線(xiàn)對于了解模塊的適用性更為有用。由于CXT-PLA3SA12450AA的可擴展性，圖4還推斷出了1200V/600A 模塊的安全工作范圍（虛線(xiàn)所示）。
圖4 CXT-PLA3SA12450AA的相電流（Arms）與開(kāi)關(guān)頻率的關(guān)系 （測試條件：VDC= 600V，Tc = 90°C，Tj <175°C，D = 50％），以及對未來(lái)的1200V/600A 模塊（CXT-PLA3SA12600AA，正在開(kāi)發(fā)中）進(jìn)行推斷 此外，門(mén)極驅動(dòng)器還包括了直流側電壓監測功能，采用了更為緊湊的變壓器模塊；最后，CXT-PLA3SA12450AA的安全規范符合2級污染度要求的爬電距離。 魯棒的SiC門(mén)極驅動(dòng)器使實(shí)現快速開(kāi)關(guān)和低損耗成為可能 CXT-PLA3SA12450AA的三相全橋門(mén)極驅動(dòng)器設計，充分利用了CISSOID在單相SiC門(mén)極驅動(dòng)器上所積累的經(jīng)驗，例如，CISSOID分別針對62mm 1200V/300A 和快速開(kāi)關(guān) XM3 1200V/450A SiC功率模塊設計的CMT-TIT8243 [1，2]和CMT-TIT0697 [3]單相柵極驅動(dòng)器（見(jiàn)圖5）。 和CMT-TIT8243、CMT-TIT0697一樣，CXT-PLA3SA12450AA的最高工作環(huán)境溫度也為 125°C，所有元件均經(jīng)過(guò)了精心選擇和尺寸確認，以保證在此額定溫度下運行。該IPM還憑借 CISSOID的高溫門(mén)極驅動(dòng)器芯片組[4，5]以及低寄生電容（典型值為10pF）的電源變壓器設計，使得高 dv/dt 和高溫度環(huán)境下的共模電流降到最低點(diǎn)。
圖5 用于快速開(kāi)關(guān)XM3 1200V/450A SiC MOSFET功率模塊的CMT-TIT0697門(mén)極驅動(dòng)器板 CXT-PLA3SA12450AA 柵極驅動(dòng)器仍有余量來(lái)支持功率模塊的可擴展性。該模塊的總門(mén)極電荷為 910nC。當開(kāi)關(guān)頻率為 25KHz 時(shí)，平均門(mén)極電流為 22.75mA。這遠遠低于板載隔離DC-DC 電源的最大電流能力95mA。因此，無(wú)需修改門(mén)極驅動(dòng)器板，就可以提高功率模塊的電流能力和門(mén)極充電。使用多個(gè)并聯(lián)的門(mén)極電阻，實(shí)際的最大 dv/dt 值可達10~20 KV/μs 。門(mén)極驅動(dòng)電路的設計可以抵抗高達 50KV/μs 的 dv/dt，從而在 dv/dt可靠性方面提供了足夠的余量。 門(mén)極驅動(dòng)器的保護功能提高了系統的功能安全性 門(mén)極驅動(dòng)器的保護功能對于確保功率模塊安全運行至關(guān)重要，當驅動(dòng)快速開(kāi)關(guān)的SiC功率部件時(shí)更是如此。CXT-PLA3SA12450AA門(mén)極驅動(dòng)電路可以提供如下保護功能： 欠壓鎖定（UVLO）：CXT-PLA3SA12450AA門(mén)極驅動(dòng)器會(huì )同時(shí)監測初級和次級電壓，并在低于編程電壓時(shí)報告故障。 防重疊：避免同時(shí)導通上臂和下臂，以防止半橋短路 。 防止次級短路：隔離型DC-DC 電源逐個(gè)周期的電流限制功能，可以防止門(mén)極驅動(dòng)器發(fā)生任何短路（例如柵極 - 源極短路）。 毛刺濾波器 ：抑制輸入PWM信號的毛刺，這些毛刺很可能是由共模電流引起的。 有源米勒鉗位（AMC）：在關(guān)斷后建立起負的門(mén)極電阻旁路，以保護功率MOSFET不受寄生導通的影響。 去飽和檢測：導通時(shí)，在消隱時(shí)間之后檢查功率通道的漏源電壓是否高于閾值。 軟關(guān)斷：在出現故障的情況下，可以緩慢關(guān)閉功率通道，以最大程度地降低因高 di/dt引起的過(guò)沖。 結論 CISSOID的SiC智能功率模塊體系，為系統設計人員提供了一種優(yōu)化的解決方案，可以極大地加速他們的設計工作。驅動(dòng)和水冷模塊的集成從一開(kāi)始就提供了可信賴(lài)的電氣和熱特性，從而縮短了有效使用全新技術(shù)通常所需要的漫長(cháng)學(xué)習曲線(xiàn)。CISSOID全新的、可擴展的IPM體系，將為電動(dòng)汽車(chē)應用中SiC技術(shù)的探索者提供強大的技術(shù)支持。 參考文獻 [1] CMT-TIT8243: 1200V High Temperature (125°C) Half-Bridge SiC MOSFET Gate Driver Datasheet. http://www.cissoid.com/files/fil ... an/CMT-TIT8243.pdf. [2] P. Delatte. A High Temperature Gate Driver for Half Bridge SiC MOSFET 62mm Power Modules. Bodo’s Power Systems, p54, September 2019. [3] CMT-TIT0697: 1200V High Temperature (125°C) Half-Bridge SiC MOSFET Gate Driver Datasheet. http://www.cissoid.com/files/fil ... an/CMT-TIT0697.pdf. [4] High Temperature Gate Driver Primary Side IC Datasheet: DC-DC Controller & Isolated Signal Transceivers. http://www.cissoid.com/files/fil ... r-Primary-side.pdf. [5] High Temperature Gate Driver -Secondary Side IC Datasheet: Driver & Protection Functions. http://www.cissoid.com/files/fil ... Secondary-side.pdf. |
