當(dāng)前，新型快速開關(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(yīng)，SiC器件的一系列特性，如高阻斷電壓、低導(dǎo)通電阻、高開關(guān)速度和耐高溫性能，使系統(tǒng)工程師能夠在電機(jī)驅(qū)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進(jìn)展，同時(shí)推動(dòng)SiC器件的價(jià)格持續(xù)下降。然而，在大功率應(yīng)用中采用SiC還存在一些重要的制約因素，包括經(jīng)過良好優(yōu)化的功率模塊的可獲得性，還有設(shè)計(jì)高可靠門級(jí)驅(qū)動(dòng)的學(xué)習(xí)曲線。智能功率模塊(IPM)通過提供高度集成、即插即用的解決方案，可以加速產(chǎn)品上市并節(jié)省工程資源，從而能夠有效地應(yīng)對(duì)上述兩項(xiàng)挑戰(zhàn)。
本文討論了在電動(dòng)汽車應(yīng)用的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中選擇CISSOID三相全橋1200V SiC MOSFET智能功率模塊(IPM)體系所帶來的益處，尤其表現(xiàn)在該體系是一個(gè)可擴(kuò)展的平臺(tái)系列。該體系利用了低內(nèi)耗技術(shù)，提供了一種已整合的解決方案，即IPM;IPM由門極驅(qū)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)過優(yōu)化和協(xié)調(diào)。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(xiàn)SiC器件優(yōu)勢的充分利用，及其中最為關(guān)鍵的因素，即使門極驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)及SiC 功率電路驅(qū)動(dòng)安全、可靠地實(shí)現(xiàn)。
圖1 CXT-PLA3SA12450AA三相全橋1200V/450A SiC智能功率模塊IPM
憑借低內(nèi)耗和增強(qiáng)的熱穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)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(dǎo)通損耗(Ron僅為3.25mΩ)、較低開關(guān)損耗，在600V/300A時(shí)開啟和關(guān)斷能量分別為7.8mJ和8mJ(見表1)。相比最先進(jìn)的IGBT功率模塊，同等工況下的開關(guān)損耗降低了至少三分之二。CXT-PLA3SA12450AA通過一個(gè)輕量化的鋁碳化硅(AlSiC)針翅底板進(jìn)行水冷，結(jié)到流體的熱阻(Rjl)為0.15°C/W。CXT-PLA3SA12450AA的額定結(jié)溫高達(dá)175°C，門柵極驅(qū)動(dòng)電路可以在高達(dá)125°C的環(huán)境中運(yùn)行。該IPM能夠承受高達(dá)3600V的隔離電壓(已經(jīng)過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
三維模型和可信賴的散熱特性使快速地實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)成為可能
CXT-PLA3SA12450AA的一大優(yōu)勢，即門級(jí)驅(qū)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(qū)總成的其他部分，如直流電容、冷卻系統(tǒng)可以快速結(jié)合，如圖2所示。CISSOID提供了各個(gè)部件的精確的3D參考設(shè)計(jì)，客戶的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員由此作為起點(diǎn)，可在極短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
IPM充分利用了SiC功率器件的低導(dǎo)通和低開關(guān)損耗特性，并與門級(jí)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行了系統(tǒng)級(jí)的協(xié)調(diào)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(tǒng)的空間占用，并提高了功率轉(zhuǎn)換器的效率。
圖2 CXT-PLA3SA12450AA與DC電容和水冷的集成
在Rjl(結(jié)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(jì)算出最大連續(xù)漏極電流允許值與外殼溫度之間的關(guān)系(基于最高結(jié)溫時(shí)的導(dǎo)通電阻和最大工作結(jié)溫來計(jì)算)，如圖3所示。
圖3 CXT-PLA3SA12450AA最大連續(xù)漏極電流允許值與外殼溫度之間的關(guān)系
最大連續(xù)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(shù)(Figure of Merit ，F(xiàn)oM)則揭示了相電流均值與開關(guān)頻率的關(guān)系，如圖4所示。該曲線是針對(duì)總線電壓600V、外殼溫度90°C、結(jié)溫175°C和占空比為50%的情況計(jì)算的。FoM 曲線對(duì)于了解模塊的適用性更為有用。由于CXT-PLA3SA12450AA的可擴(kuò)展性，圖4還推斷出了1200V/600A 模塊的安全工作范圍(虛線所示)。
圖4 CXT-PLA3SA12450AA的相電流(Arms)與開關(guān)頻率的關(guān)系
(測試條件：VDC= 600V，Tc = 90°C，Tj <175°C，D = 50%)，以及對(duì)未來的1200V/600A 模塊(CXT-PLA3SA12600AA，正在開發(fā)中)進(jìn)行推斷
此外，門極驅(qū)動(dòng)器還包括了直流側(cè)電壓監(jiān)測功能，采用了更為緊湊的變壓器模塊;最后，CXT-PLA3SA12450AA的安全規(guī)范符合2級(jí)污染度要求的爬電距離。
魯棒的SiC門極驅(qū)動(dòng)器使實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)和低損耗成為可能
CXT-PLA3SA12450AA的三相全橋門極驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)，充分利用了CISSOID在單相SiC門極驅(qū)動(dòng)器上所積累的經(jīng)驗(yàn)，例如，CISSOID分別針對(duì)62mm 1200V/300A 和快速開關(guān) XM3 1200V/450A SiC功率模塊設(shè)計(jì)的CMT-TIT8243 [1，2]和CMT-TIT0697 [3]單相柵極驅(qū)動(dòng)器(見圖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)過了精心選擇和尺寸確認(rèn)，以保證在此額定溫度下運(yùn)行。該IPM還憑借 CISSOID的高溫門極驅(qū)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(shè)計(jì)，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 用于快速開關(guān)XM3 1200V/450A SiC MOSFET功率模塊的CMT-TIT0697門極驅(qū)動(dòng)器板
CXT-PLA3SA12450AA 柵極驅(qū)動(dòng)器仍有余量來支持功率模塊的可擴(kuò)展性。該模塊的總門極電荷為 910nC。當(dāng)開關(guān)頻率為 25KHz 時(shí)，平均門極電流為 22.75mA。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于板載隔離DC-DC 電源的最大電流能力95mA。因此，無需修改門極驅(qū)動(dòng)器板，就可以提高功率模塊的電流能力和門極充電。使用多個(gè)并聯(lián)的門極電阻，實(shí)際的最大 dv/dt 值可達(dá)10~20 KV/μs 。門極驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)可以抵抗高達(dá) 50KV/μs 的 dv/dt，從而在 dv/dt可靠性方面提供了足夠的余量。
門極驅(qū)動(dòng)器的保護(hù)功能提高了系統(tǒng)的功能安全性
門極驅(qū)動(dòng)器的保護(hù)功能對(duì)于確保功率模塊安全運(yùn)行至關(guān)重要，當(dāng)驅(qū)動(dòng)快速開關(guān)的SiC功率部件時(shí)更是如此。CXT-PLA3SA12450AA門極驅(qū)動(dòng)電路可以提供如下保護(hù)功能：
欠壓鎖定(UVLO)：CXT-PLA3SA12450AA門極驅(qū)動(dòng)器會(huì)同時(shí)監(jiān)測初級(jí)和次級(jí)電壓，并在低于編程電壓時(shí)報(bào)告故障。
防重疊：避免同時(shí)導(dǎo)通上臂和下臂，以防止半橋短路 。
防止次級(jí)短路：隔離型DC-DC 電源逐個(gè)周期的電流限制功能，可以防止門極驅(qū)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(hào)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(fù)的門極電阻旁路，以保護(hù)功率MOSFET不受寄生導(dǎo)通的影響。
去飽和檢測：導(dǎo)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(xiàn)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引起的過沖。
結(jié)論
CISSOID的SiC智能功率模塊體系，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)工作。驅(qū)動(dòng)和水冷模塊的集成從一開始就提供了可信賴的電氣和熱特性，從而縮短了有效使用全新技術(shù)通常所需要的漫長學(xué)習(xí)曲線。CISSOID全新的、可擴(kuò)展的IPM體系，將為電動(dòng)汽車應(yīng)用中SiC技術(shù)的探索者提供強(qiáng)大的技術(shù)支持。
參考文獻(xiàn)
[1] CMT-TIT8243: 1200V High Temperature (125°C) Half-Bridge 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°C) Half-Bridge 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/CMT-HADES2P-High-temperature-Isolated-Gate-driver-Primary-side.pdf.
[5] High Temperature Gate Driver -Secondary Side IC Datasheet: Driver & Protection Functions. http://www.cissoid.com/files/files/products/titan/CMT-HADES2S-High-temperature-Gate-Driver-Secondary-side.pdf.
