智能功率模塊助力業(yè)界加速邁向基于碳化硅（SiC）的電動汽車

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(kuò)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(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)動器設(shè)計及SiC 功率電路驅(qū)動安全、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(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提供了各個部件的精確的3D參考設(shè)計，客戶的系統(tǒng)設(shè)計人員由此作為起點(diǎn)，可在極短的時間內(nèi)實(shí)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(jìn)行了系統(tǒng)級的協(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，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)溫時的導(dǎo)通電阻和最大工作結(jié)溫來計算），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(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級污染度要求的爬電距離。

魯棒的SiC門極驅(qū)動器使實(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(yàn)，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)動器板

CXT-PLA3SA12450AA 柵極驅(qū)動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，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(shí)際的最大 dv/dt 值可達(dá)10~20 KV/μs 。門極驅(qū)動電路的設(shè)計可以抵抗高達(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)動器的保護(hù)功能提高了系統(tǒng)的功能安全性

門極驅(qū)動器的保護(hù)功能對于確保功率模塊安全運(yùn)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(hù)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報告故障。

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(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，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(kuò)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(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.