當(dāng)前，新型快速開(kāi)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(kāi)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(guò)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(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)的學(xué)習(xí)曲線(xiàn)。智能功率模塊（IPM）通過(guò)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(chē)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(lái)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(mén)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(guò)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(shì)的充分利用，及其中最為關(guān)鍵的因素，即使門(mén)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(kāi)關(guān)損耗，在 600V/300A 時(shí)開(kāi)啟和關(guān)斷能量分別為 7.8mJ 和 8mJ（見(jiàn)表 1）。相比最先進(jìn)的 IGBT 功率模塊，同等工況下的開(kāi)關(guān)損耗降低了至少三分之二。CXT-PLA3SA12450AA 通過(guò)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(mén)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(guò) 50Hz、1 分鐘的耐壓測(cè)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(lài)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(shì)，即門(mén)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(hù)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(kāi)關(guān)損耗特性，并與門(mén)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(lái)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(kāi)關(guān)頻率的關(guān)系，如圖 4 所示。該曲線(xiàn)是針對(duì)總線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)所示）。

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

（測(cè)試條件：VDC= 600V，Tc = 90°C，Tj <175°C，D = 50％），以及對(duì)未來(lái)的 1200V/600A 模塊（CXT-PLA3SA12600AA，正在開(kāi)發(fā)中）進(jìn)行推斷

　　此外，門(mén)極驅(qū)動(dòng)器還包括了直流側(cè)電壓監(jiān)測(cè)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(mén)極驅(qū)動(dòng)器使實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)關(guān)和低損耗成為可能

　　CXT-PLA3SA12450AA 的三相全橋門(mén)極驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)，充分利用了 CISSOID 在單相 SiC 門(mén)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(kāi)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(jiàn)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(guò)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(mén)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(kāi)關(guān) XM3 1200V/450A SiC MOSFET 功率模塊的 CMT-TIT0697 門(mén)極驅(qū)動(dòng)器板

　　CXT-PLA3SA12450AA 柵極驅(qū)動(dòng)器仍有余量來(lái)支持功率模塊的可擴(kuò)展性。該模塊的總門(mén)極電荷為 910nC。當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率為 25KHz 時(shí)，平均門(mén)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(wú)需修改門(mén)極驅(qū)動(dòng)器板，就可以提高功率模塊的電流能力和門(mén)極充電。使用多個(gè)并聯(lián)的門(mén)極電阻，實(shí)際的最大 dv/dt 值可達(dá) 10~20 KV/?s 。門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)可以抵抗高達(dá) 50KV/?s 的 dv/dt，從而在 dv/dt 可靠性方面提供了足夠的余量。

門(mén)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(mén)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(kāi)關(guān)的 SiC 功率部件時(shí)更是如此。CXT-PLA3SA12450AA 門(mén)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(mén)極驅(qū)動(dòng)器會(huì)同時(shí)監(jiān)測(cè)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(mén)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(mén)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(cè)：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(guò)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(kāi)始就提供了可信賴(lài)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(zhǎng)學(xué)習(xí)曲線(xiàn)。CISSOID 全新的、可擴(kuò)展的 IPM 體系，將為電動(dòng)汽車(chē)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.