【導(dǎo)讀】越來越多的領(lǐng)先電動汽車制造商正在將碳化硅（SiC MOSFET）功率場效應(yīng)管用于牽引逆變器，其中有些還采用了非傳統(tǒng)的分立器件封裝。但是，目前很難找到針對電動機驅(qū)動而優(yōu)化的 SiC 功率模塊來適配不同的應(yīng)用。更進一步，將快速開關(guān)的 SiC 功率模塊與柵極驅(qū)動器、去耦及水冷等整合為驅(qū)動總成，還要面對一些新的挑戰(zhàn)。
越來越多的領(lǐng)先電動汽車制造商正在將碳化硅（SiC MOSFET）功率場效應(yīng)管用于牽引逆變器，其中有些還采用了非傳統(tǒng)的分立器件封裝。但是，目前很難找到針對電動機驅(qū)動而優(yōu)化的 SiC 功率模塊來適配不同的應(yīng)用。更進一步，將快速開關(guān)的 SiC 功率模塊與柵極驅(qū)動器、去耦及水冷等整合為驅(qū)動總成，還要面對一些新的挑戰(zhàn)。因此，經(jīng)過完全優(yōu)化和高度集成的智能功率模塊解決方案，可以為客戶節(jié)省大量的開發(fā)時間和工程資源。
本文介紹了一種用于電動汽車電機驅(qū)動、或電力逆變器的新型 三 相 1200V SiC MOSFET 智 能 功 率 模 塊（IPM）。 該 IPM提供了一種多合一的解決方案，含有柵極驅(qū)動器和三相全橋 SiCMOSFET 功率電路，可用于水冷功率系統(tǒng)。本文簡要介紹了該功率模塊的關(guān)鍵電氣和熱特性，討論了其安全操作區(qū)域；最后，說明了柵極驅(qū)動器的關(guān)鍵特性 ， 及其安全可靠的驅(qū)動 SiC MOSFET 的綜合能力。
圖 1：CXT-PLA3SA12450AA 三相全橋 1200V/450A SiC
三相全橋水冷 SiC MOSFET 智能功率模塊CXT-PLA3SA12450AA是一個可擴展平臺系列的首個產(chǎn)品，該三相 1200V/450A SiC MOSFET IPM 具有導(dǎo)通損耗低（Ron為 3.25mΩ）、開關(guān)損耗低（7.8mJ 開啟和 8mJ 關(guān)斷）等特點（在600V/300A 時，參見表 1）。相對于最新的 IGBT 電源模塊，其損耗至少降低了三分之二。新模塊通過輕巧的 AlSiC 針翅底板進行 水冷，結(jié)至流體的熱阻為 0.15℃ /W。該智能功率模塊的額定結(jié)溫 高達(dá) 175℃，可以承受高達(dá) 3600V（50Hz，1min）的隔離電壓。
表 1：CXT-PLA3SA12450AA 的主要特性
熱穩(wěn)定性和安全的工作區(qū)域
該智能功率模塊是為高熱環(huán)境的穩(wěn)定性應(yīng)用而設(shè)計的，額定的 最高結(jié)溫為 175℃。柵極驅(qū)動器本身具備在最高環(huán)境工作溫度為 125℃的情況下、長時間工作的增強的耐熱能力。 如前所述，該智能功率模塊通過輕巧的 AlSiC 針翅底板冷卻，每相的結(jié)至流體熱阻為 0.15℃ /W，當(dāng)流速為 10L/Min（推薦的冷卻液 為 50％乙二醇，50％水），允許的流體最高流入端溫度可達(dá) 75℃。
最大連續(xù)漏極電流（Id）與 CXT-PLA3SA12450AA 的外殼 溫度之間的關(guān)系（根據(jù)最大 Tj 時的導(dǎo)通電阻，熱阻和最大工作結(jié) 溫計算）如圖 2 所示。
最大連續(xù)漏極電流（Id）被視為比較功率模塊的額定功率的標(biāo) 準(zhǔn)參數(shù)，而品質(zhì)因數(shù)（FoM，F(xiàn)igure of Merit）則揭示了 RMS 相 電流與開關(guān)頻率的關(guān)系，如圖 3 所示；該曲線是針對 600V 的 DC總線電壓、90℃的外殼溫度、175℃的結(jié)溫和 50％占空比計算的。
該 FoM 曲線對于了解模塊的適用性更為有用。CISSOID 的智能功率模塊平臺具有系列可擴展性，例如，從圖 3 還可推斷（虛線）出未來的 1200V/600A 模塊的安全工作范圍。
圖 2：最大連續(xù)漏極電流降額（Id）與 CXT-PLA3SA12450AA的外殼溫度之間的關(guān)系 。
圖 3：FoM 曲線， 1200V/450A SiC 功率模塊（CXTPLA3SA12450AA）的相電流（Arms）與開關(guān)頻率（條件：VDC= 600V，Tc = 90℃，Tj 《175℃，D = 50％），和預(yù)測未來的1200V/600A 模塊（CXT-PLA3SA12600AA，正在開發(fā)中）相比較
三相 SiC 柵極驅(qū)動器
CXT-PLA3SA12450AA 三相柵極驅(qū)動器的設(shè)計，源自已經(jīng)得到充分測試驗證的 CMT-TIT8243 ［1，2］ 和 CMT-TIT0697［3］ 單相柵極驅(qū)動器板，分別設(shè)計用于 62mm 1200V/300A 和快 速 開 關(guān) XM3 1200V/450A SiC MOSFET 功 率 模 塊（ 請 參見圖 4）。三相柵極驅(qū)動器經(jīng)過優(yōu)化，可以直接安裝在 CXTPLA3SA12450 功率模塊的頂部，這歸功于更為緊湊的變壓器設(shè)計或略微調(diào)整的爬電距離設(shè)定。CXT-PLA3SA12450AA 柵極驅(qū)動器還包括直流總線電壓監(jiān)視功能。
對于 CMT-TIT8243 和 CMT-TIT0697，柵極驅(qū)動器板的最高工作環(huán)境溫度為 125℃。板上所有的元器件均經(jīng)過精心選擇和確認(rèn)，以保證在此溫度下的運行。這些設(shè)計還依靠 CISSOID的高溫柵極驅(qū)動器芯片組 ［4、5］ 和針對低寄生電容（典型值為10pF）進行了優(yōu)化的電源變壓器模塊，以最大程度地降低高 dv/dt 和高工作溫度下的共模反射電流。
圖 4：用于快速切換 XM3 1200V/450A SiC MOSFET 功率模塊的 CMT-TIT0697 柵極驅(qū)動器板CXT-PLA3SA12450AA 柵極驅(qū)動器仍有足夠的余量來支持功率模塊的可擴展性。該模塊的總柵極電荷為 910nC。在開關(guān)頻率為 25KHz 時，平均柵極電流等于 22.75mA。這遠(yuǎn)低于板載隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的 95mA 最大電流能力。因此，無需修改柵極驅(qū)動器板，就可以直接驅(qū)動未來柵極電流容量和柵極電荷更高、驅(qū)動功率更大的功率模塊。
使用并列的多柵極電阻架構(gòu)，以適應(yīng)實際最大 dv/dt 可在10~20 KV/µs 的范圍內(nèi)（負(fù)載相關(guān)）。柵極驅(qū)動器的本身的設(shè)計，足夠抵抗高達(dá) 50KV/µs 的 dv/dt（感性負(fù)載），從而在 dv/dt 魯棒性方面提供了足夠的余量。
柵極驅(qū)動器保護功能
柵極驅(qū)動器保護功能對于確保功率模塊的安全運行至關(guān)重 要。 在 驅(qū) 動 快 速 開 關(guān) 的 SiC MOSFET 時 尤 其 如 此。CXTPLA3SA12450 柵極驅(qū)動器提供以下保護功能：
√ ， 欠壓鎖定保護（UVLO）：CXT-PLA3SA12450AA 柵極驅(qū)動器監(jiān)視初級和次級電壓，并在低于編程要求電壓時自動啟動保護、報告故障。
√ ， 防重疊保護：避免同時開啟高側(cè)和低側(cè)功率電路，以防止半橋 短路。
√ ， 防止次級短路：隔離的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器可以逐周期地進行電流 限制，從而防止柵極驅(qū)動器發(fā)生任何短路（例如，柵極 - 源極 短路）。
√ ， 毛刺濾波器：抑制輸入 PWM 信號上的毛刺，這些毛刺經(jīng)常是 由于共模電流引起的。
√ ， 有源米勒鉗位（AMC）：關(guān)斷后實現(xiàn)負(fù)柵極電阻的旁路，以保 護功率 MOSFET 免受寄生反射的影響。
√ ， 去飽和檢測：在打開時，在消隱時間之后檢查功率 MOSFET 漏源電壓是否低于閾值。
√ ， 軟關(guān)斷：在出現(xiàn)故障的情況下，將緩慢關(guān)閉功率晶體管，以最 大程度地降低由于高 di/dt 而引起的過沖。
結(jié)論
本文提出了一種新型的三相 1200V/450A SiC MOSFET 智能 功率模塊。這個新的、可擴展的平臺系列，優(yōu)化了功率模塊的電氣、 機械和散熱設(shè)計及其控制驅(qū)動，將有助于所有希望采用 SiC 功率器 件以提高驅(qū)動效率、減低電機驅(qū)動尺寸和重量的電動汽車 OEM 和 電機制造商，極大地幫助其縮短產(chǎn)品的上市時間。
參考文獻(xiàn)
［1］ CMT-TIT8243： 1200V High Temperature （125 ℃ ） HalfBridge SiC MOSFET Gate Driver Datasheet ： http://www. cissoid.com/files/files/products/titan/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 ℃ ） HalfBridge SiC MOSFET Gate Driver Datasheet ： http://www. cissoid.com/files/files/products/titan/CMT-TIT0697.pdf
［4］ High Temperature Gate Driver Primary Side IC Datasheet： DC-DC Controller & Isolated Signal Transceivers http://www.cissoid.com/files/files/products/titan/CMTHADES2P-High-temperature-Isolated-Gate-driverPrimary-side.pdf
［5］ High Temperature Gate Driver -Secondary Side IC Datasheet： Driver & Protection Functions http://www. cissoid.com/files/files/products/titan/CMT-HADES2SHigh-temperature-Gate-Driver-Secondary-side.pdf
（作者：CISSOID 首席技術(shù)官，Pierre Delatte）
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