三相全橋水冷 SiC MOSFET 智能功率模塊CXT-PLA3SA12450AA是一個(gè)可擴展平臺系列的首個(gè)產(chǎn)品，該三相 1200V/450A SiC MOSFET IPM 具有導通損耗低（Ron為 3.25mΩ）、開(kāi)關(guān)損耗低（7.8mJ 開(kāi)啟和 8mJ 關(guān)斷）等特點(diǎn)（在600V/300A 時(shí)，參見(jiàn)表 1）。相對于最新的 IGBT 電源模塊，其損耗至少降低了三分之二。新模塊通過(guò)輕巧的 AlSiC 針翅底板進(jìn)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(huán)境的穩定性應用而設計的，額定的 最高結溫為 175℃。柵極驅動(dòng)器本身具備在最高環(huán)境工作溫度為 125℃的情況下、長(cháng)時(shí)間工作的增強的耐熱能力。 如前所述，該智能功率模塊通過(guò)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(guān)系（根據最大 Tj 時(shí)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(zhì)因數（FoM，Figure of Merit）則揭示了 RMS 相 電流與開(kāi)關(guān)頻率的關(guān)系，如圖 3 所示；該曲線(xiàn)是針對 600V 的 DC總線(xiàn)電壓、90℃的外殼溫度、175℃的結溫和 50％占空比計算的。

 

該 FoM 曲線(xiàn)對于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(xiàn)）出未來(lái)的 1200V/600A 模塊的安全工作范圍。

 

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(guān)系 。

 

圖 3：FoM 曲線(xiàn)， 1200V/450A SiC 功率模塊（CXTPLA3SA12450AA）的相電流（Arms）與開(kāi)關(guān)頻率（條件：VDC= 600V，Tc = 90℃，Tj 《175℃，D = 50％），和預測未來(lái)的1200V/600A 模塊（CXT-PLA3SA12600AA，正在開(kāi)發(fā)中）相比較

 

三相 SiC 柵極驅動(dòng)器

 

CXT-PLA3SA12450AA 三相柵極驅動(dòng)器的設計，源自已經(jīng)得到充分測試驗證的 CMT-TIT8243 ［1，2］ 和 CMT-TIT0697［3］ 單相柵極驅動(dòng)器板，分別設計用于 62mm 1200V/300A 和快 速 開(kāi) 關(guān) XM3 1200V/450A SiC MOSFET 功 率 模 塊（ 請 參見(jiàn)圖 4）。三相柵極驅動(dòng)器經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可以直接安裝在 CXTPLA3SA12450 功率模塊的頂部，這歸功于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(dòng)器還包括直流總線(xiàn)電壓監視功能。

 

對于 CMT-TIT8243 和 CMT-TIT0697，柵極驅動(dòng)器板的最高工作環(huán)境溫度為 125℃。板上所有的元器件均經(jīng)過(guò)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(dòng)器芯片組 ［4、5］ 和針對低寄生電容（典型值為10pF）進(jìn)行了優(yōu)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：用于快速切換 XM3 1200V/450A SiC MOSFET 功率模塊的 CMT-TIT0697 柵極驅動(dòng)器板CXT-PLA3SA12450AA 柵極驅動(dòng)器仍有足夠的余量來(lái)支持功率模塊的可擴展性。該模塊的總柵極電荷為 910nC。在開(kāi)關(guān)頻率為 25KHz 時(shí)，平均柵極電流等于 22.75mA。這遠低于板載隔離式 DC-DC 轉換器的 95mA 最大電流能力。因此，無(wú)需修改柵極驅動(dòng)器板，就可以直接驅動(dòng)未來(lái)柵極電流容量和柵極電荷更高、驅動(dòng)功率更大的功率模塊。

 

使用并列的多柵極電阻架構，以適應實(shí)際最大 dv/dt 可在10~20 KV/µs 的范圍內（負載相關(guān)）。柵極驅動(dòng)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余量。

 

柵極驅動(dòng)器保護功能

 

柵極驅動(dòng)器保護功能對于確保功率模塊的安全運行至關(guān)重 要。 在 驅 動(dòng) 快 速 開(kāi) 關(guān) 的 SiC MOSFET 時(shí) 尤 其 如 此。CXTPLA3SA12450 柵極驅動(dòng)器提供以下保護功能：

√ ， 欠壓鎖定保護（UVLO）：CXT-PLA3SA12450AA 柵極驅動(dòng)器監視初級和次級電壓，并在低于編程要求電壓時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)保護、報告故障。

√ ， 防重疊保護：避免同時(shí)開(kāi)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(jìn)行電流 限制，從而防止柵極驅動(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 信號上的毛刺，這些毛刺經(jīng)常是 由于共模電流引起的。

√ ， 有源米勒鉗位（AMC）：關(guān)斷后實(shí)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(kāi)時(shí)，在消隱時(shí)間之后檢查功率 MOSFET 漏源電壓是否低于閾值。

√ ， 軟關(guān)斷：在出現故障的情況下，將緩慢關(guān)閉功率晶體管，以最 大程度地降低由于高 di/dt 而引起的過(guò)沖。

 

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(gè)新的、可擴展的平臺系列，優(yōu)化了功率模塊的電氣、 機械和散熱設計及其控制驅動(dòng)，將有助于所有希望采用 SiC 功率器 件以提高驅動(dòng)效率、減低電機驅動(dòng)尺寸和重量的電動(dòng)汽車(chē) OEM 和 電機制造商，極大地幫助其縮短產(chǎn)品的上市時(shí)間。

 

參考文獻

（作者：CISSOID 首席技術(shù)官，Pierre Delatte）