三相1200V/450A SiC MOSFET電動汽車智能功率模塊

2020-12-14 電子發燒友

三相1200V/450A SiC MOSFET電動汽車智能功率模塊

Pierre Delatte 發表於 2020-06-12 14:25:34

作者：CISSOID 首席技術官，Pierre Delatte

越來越多的領先電動汽車製造商正在將碳化矽（SiC MOSFET）功率場效應管用於牽引逆變器，其中有些還採用了非傳統的分立器件封裝。但是，目前很難找到針對電動機驅動而優化的 SiC 功率模塊來適配不同的應用。更進一步，將快速開關的 SiC 功率模塊與柵極驅動器、去耦及水冷等整合為驅動總成，還要面對一些新的挑戰。因此，經過完全優化和高度集成的智能功率模塊解決方案，可以為客戶節省大量的開發時間和工程資源。

本文介紹了一種用於電動汽車電機驅動、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，含有柵極驅動器和三相全橋 SiCMOSFET 功率電路，可用於水冷功率系統。本文簡要介紹了該功率模塊的關鍵電氣和熱特性，討論了其安全操作區域；最後，說明了柵極驅動器的關鍵特性 ， 及其安全可靠的驅動 SiC MOSFET 的綜合能力。

圖 1：CXT-PLA3SA12450AA 三相全橋 1200V/450A SiC

MOSFET 智能功率模塊

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品，該三相 1200V/450A SiC MOSFET IPM 具有導通損耗低（Ron為 3.25mΩ）、開關損耗低（7.8mJ 開啟和 8mJ 關斷）等特點（在600V/300A 時，參見表 1）。相對於最新的 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，結至流體的熱阻為 0.15℃ /W。該智能功率模塊的額定結溫 高達 175℃，可以承受高達 3600V（50Hz，1min）的隔離電壓。

表 1：CXT-PLA3SA12450AA 的主要特性

熱穩定性和安全的工作區域

該智能功率模塊是為高熱環境的穩定性應用而設計的，額定的 最高結溫為 175℃。柵極驅動器本身具備在最高環境工作溫度為 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，每相的結至流體熱阻為 0.15℃ /W，當流速為 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 75℃。

最大連續漏極電流（Id）與 CXT-PLA3SA12450AA 的外殼 溫度之間的關係（根據最大 Tj 時的導通電阻，熱阻和最大工作結 溫計算）如圖 2 所示。

最大連續漏極電流（Id）被視為比較功率模塊的額定功率的標 準參數，而品質因數（FoM，Figure of Merit）則揭示了 RMS 相 電流與開關頻率的關係，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℃的結溫和 50％佔空比計算的。

該 FoM 曲線對於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 模塊的安全工作範圍。

圖 2：最大連續漏極電流降額（Id）與 CXT-PLA3SA12450AA的外殼溫度之間的關係 。

圖 3：FoM 曲線， 1200V/450A SiC 功率模塊（CXTPLA3SA12450AA）的相電流（Arms）與開關頻率（條件：VDC= 600V，Tc = 90℃，Tj 《175℃，D = 50％），和預測未來的1200V/600A 模塊（CXT-PLA3SA12600AA，正在開發中）相比較

三相 SiC 柵極驅動器

CXT-PLA3SA12450AA 三相柵極驅動器的設計，源自已經得到充分測試驗證的 CMT-TIT8243 ［1，2］ 和 CMT-TIT0697［3］ 單相柵極驅動器板，分別設計用於 62mm 1200V/300A 和快 速 開 關 XM3 1200V/450A SiC MOSFET 功 率 模 塊（ 請 參見圖 4）。三相柵極驅動器經過優化，可以直接安裝在 CXTPLA3SA12450 功率模塊的頂部，這歸功於更為緊湊的變壓器設計或略微調整的爬電距離設定。CXT-PLA3SA12450AA 柵極驅動器還包括直流總線電壓監視功能。

對於 CMT-TIT8243 和 CMT-TIT0697，柵極驅動器板的最高工作環境溫度為 125℃。板上所有的元器件均經過精心選擇和確認，以保證在此溫度下的運行。這些設計還依靠 CISSOID的高溫柵極驅動器晶片組 ［4、5］ 和針對低寄生電容（典型值為10pF）進行了優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：用於快速切換 XM3 1200V/450A SiC MOSFET 功率模塊的 CMT-TIT0697 柵極驅動器板CXT-PLA3SA12450AA 柵極驅動器仍有足夠的餘量來支持功率模塊的可擴展性。該模塊的總柵極電荷為 910nC。在開關頻率為 25KHz 時，平均柵極電流等於 22.75mA。這遠低於板載隔離式 DC-DC 轉換器的 95mA 最大電流能力。因此，無需修改柵極驅動器板，就可以直接驅動未來柵極電流容量和柵極電荷更高、驅動功率更大的功率模塊。

使用並列的多柵極電阻架構，以適應實際最大 dv/dt 可在10~20 KV/µs 的範圍內（負載相關）。柵極驅動器的本身的設計，足夠抵抗高達 50KV/µs 的 dv/dt（感性負載），從而在 dv/dt 魯棒性方面提供了足夠的餘量。

柵極驅動器保護功能

柵極驅動器保護功能對於確保功率模塊的安全運行至關重 要。 在 驅 動 快 速 開 關 的 SiC MOSFET 時 尤 其 如 此。CXTPLA3SA12450 柵極驅動器提供以下保護功能：

√ ， 欠壓鎖定保護（UVLO）：CXT-PLA3SA12450AA 柵極驅動器監視初級和次級電壓，並在低於編程要求電壓時自動啟動保護、報告故障。

√ ， 防重疊保護：避免同時開啟高側和低側功率電路，以防止半橋 短路。

√ ， 防止次級短路：隔離的 DC-DC 轉換器可以逐周期地進行電流 限制，從而防止柵極驅動器發生任何短路（例如，柵極 - 源極 短路）。

√ ， 毛刺濾波器：抑制輸入 PWM 信號上的毛刺，這些毛刺經常是 由於共模電流引起的。

√ ， 有源米勒鉗位（AMC）：關斷後實現負柵極電阻的旁路，以保 護功率 MOSFET 免受寄生反射的影響。

√ ， 去飽和檢測：在打開時，在消隱時間之後檢查功率 MOSFET 漏源電壓是否低於閾值。

√ ， 軟關斷：在出現故障的情況下，將緩慢關閉功率電晶體，以最 大程度地降低由於高 di/dt 而引起的過衝。

結論

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，優化了功率模塊的電氣、 機械和散熱設計及其控制驅動，將有助於所有希望採用 SiC 功率器 件以提高驅動效率、減低電機驅動尺寸和重量的電動汽車 OEM 和 電機製造商，極大地幫助其縮短產品的上市時間。

參考文獻

［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

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