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)工程師能夠在電機驅(qū)動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展，同時推動SiC器件的價格持續(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)計高可靠門級驅(qū)動的學(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)對上述兩項挑戰(zhàn)。

　　本文討論了在電動汽車應(yīng)用的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計中選擇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)在該體系是一個可擴展的平臺系列。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如何實現(xiàn)SiC器件優(yōu)勢的充分利用，及其中   為關(guān)鍵的因素，即使門極驅(qū)動器設(shè)計及SiC 功率電路驅(qū)動安全、可靠地實現(xiàn)。

　　圖1  CXT-PLA3SA12450AA三相全橋1200V/450A SiC智能功率模塊IPM

　　憑借低內(nèi)耗和增強的熱穩(wěn)定性實現(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時開啟和關(guān)斷能量分別為7.8mJ和8mJ（見表1）。相比   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通過一個輕量化的鋁碳化硅（AlSiC）針翅底板進行水冷，結(jié)到流體的熱阻（Rjl）為0.15°C/W。CXT-PLA3SA12450AA的額定結(jié)溫高達175°C，門柵極驅(qū)動電路可以在高達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

　　參數(shù)

　　測試條件

　　典型值

　　   值

　　漏源電壓Vds

　　1200V

　　連續(xù)漏極電流Id

　　VGS =15V，TC=25°C，Tj<175°C

　　450A

　　VGS =15V，TC=90°C，Tj<175°C

　　330A

　　靜態(tài)導(dǎo)通電阻

　　VGS =15V，ID=300A，Tj=25°C

　　3.25mOhms

　　4mOhms

　　VGS =15V，ID=300A，Tj=175°C

　　5.25mOhms

　　開關(guān)損耗（導(dǎo)通）Eon

　　VDS=600V；VGS= -3/15V；

　　IDS = 300A；L = 50?H

　　7.8mJ

　　開關(guān)損耗（關(guān)斷）Eoff

　　8mJ

　　隔離電壓 Viso

　　50HZ、1分鐘的交流耐壓測試，底板到電源引腳之間

　　3600VAC

　　熱阻（結(jié)-流體）Rjl

　　每個開關(guān)位置都測試，流量：10L/min；50%乙二醇，50%水，流入端溫度75°C

　　0.15°C/W

　　熱阻（結(jié)-外殼）Rjc

　　每個開關(guān)位置都測試

　　0.13°C/W

　　工作結(jié)溫 Tj

　　175°C

　　底板尺寸

　　104mm（寬）

　　154mm（長）

　　重量

　　580g

　　三維模型和可信賴的散熱特性使快速地實現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計成為可能

　　CXT-PLA3SA12450AA的一大優(yōu)勢，即門級驅(qū)動和功率部分（含有AlSiC針翅水冷底板）高度集成。該特點使得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提供了各個部件的   的3D參考設(shè)計，客戶的系統(tǒng)設(shè)計人員由此作為起點，可在極短的時間內(nèi)實現(xiàn)目標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計。

　　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，并與門級驅(qū)動進行了系統(tǒng)級的協(xié)調(diào)以獲得整體性能的   優(yōu)化，在提供   性能的同時，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，可以計算出   連續(xù)漏極電流允許值與外殼溫度之間的關(guān)系（基于   結(jié)溫時的導(dǎo)通電阻和   工作結(jié)溫來計算），如圖3所示。

　　圖3  CXT-PLA3SA12450AA   連續(xù)漏極電流允許值與外殼溫度之間的關(guān)系

　　   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％的情況計算的。FoM 曲線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（虛線所示）。

　　圖4  CXT-PLA3SA12450AA的相電流（Arms）與開關(guān)頻率的關(guān)系

　?。y試條件：VDC= 600V，Tc = 90°C，Tj <175°C，D = 50％），以及對未來的1200V/600A 模塊（CXT-PLA3SA12600AA，正在開發(fā)中）進行推斷

　　此外，門極驅(qū)動器還包括了直流側(cè)電壓監(jiān)測功能，采用了更為緊湊的變壓器模塊；   ，CXT-PLA3SA12450AA的安全規(guī)范符合2級污染度要求的爬電距離。

　　魯棒的SiC門極驅(qū)動器使實現(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)動器設(shè)計，充分利用了CISSOID在單相SiC門極驅(qū)動器上所積累的經(jīng)驗，例如，CISSOID分別針對62mm 1200V/300A 和快速開關(guān) XM3 1200V/450A SiC功率模塊設(shè)計的CMT-TIT8243 [1，2]和CMT-TIT0697 [3]單相柵極驅(qū)動器（見圖5）。

　　和CMT-TIT8243、CMT-TIT0697一樣，CXT-PLA3SA12450AA的   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，以保證在此額定溫度下運行。該IPM還憑借 CISSOID的高溫門極驅(qū)動器芯片組[4，5]以及低寄生電容（典型值為10pF）的電源變壓器設(shè)計，使得高 dv/dt 和高溫度環(huán)境下的共模電流降到   點。

　　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)動器板

　　CXT-PLA3SA12450AA 柵極驅(qū)動器仍有余量來支持功率模塊的可擴展性。該模塊的總門極電荷為 910nC。當(dāng)開關(guān)頻率為 25KHz 時，平均門極電流為 22.75mA。這遠遠低于板載隔離DC-DC 電源的   電流能力95mA。因此，無需修改門極驅(qū)動器板，就可以提高功率模塊的電流能力和門極充電。使用多個并聯(lián)的門極電阻，實際的    dv/dt 值可達10~20 KV/?s 。門極驅(qū)動電路的設(shè)計可以抵抗高達 50KV/?s 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)動器的保護功能提高了系統(tǒng)的功能安全性

　　門極驅(qū)動器的保護功能對于確保功率模塊安全運行至關(guān)重要，當(dāng)驅(qū)動快速開關(guān)的SiC功率部件時更是如此。CXT-PLA3SA12450AA門極驅(qū)動電路可以提供如下保護功能：

　　欠壓鎖定（UVLO）：CXT-PLA3SA12450AA門極驅(qū)動器會同時監(jiān)測初級和次級電壓，并在低于編程電壓時   故障。

　　防重疊：避免同時導(dǎo)通上臂和下臂，以防止半橋短路 。

　　防止次級短路：隔離型DC-DC 電源逐個周期的電流限制功能，可以防止門極驅(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)斷后建立起負的門極電阻旁路，以保護功率MOSFET不受寄生導(dǎo)通的影響。

　　去飽和檢測：導(dǎo)通時，在消隱時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   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)計工作。驅(qū)動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、可擴展的IPM體系，將為電動汽車應(yīng)用中SiC技術(shù)的探索者提供強大的技術(shù)支持。