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,，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(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,。
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,，實際的最大 dv/dt 值可達(dá) 10~20 KV/?s ,。門極驅(qū)動電路的設(shè)計可以抵抗高達(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.