半桥上下栅极驱动器由高压隔离电源供电(如图 1 所示),该电源基于具有 10 kV 隔离的矩阵变压器 LLC 转换器。3
图 1:栅极驱动电源电路图
建议的 3.6-kV/400-A 半桥电源模块如图 2a(分解图)和图 2b(原型)所示。它具有三个高功率连接(V DC+、V DC–和 SW 节点)和四个光纤连接,用于两个 PWM 输入和两个故障输出。集成 12 个基于 AusTIn SuperMOS 配置的 1,200-V SiC MOSFET,4该模块使用专用 PCB 来创建低电感电源回路,并具有内部去耦电容器和 SuperMOS 电压平衡电路。功率回路结构设计有磁通抵消效果,以实现低寄生电感。分立的 SiC MOSFET 衬底是用 1 毫米厚的氮化铝 (AIN) 直接键合铜实现的,从而提高了散热和绝缘电压。
图 2:开发的 3.6-kV/400-A SiC IPM
通过添加一些外部直流电容器,IPM 可以很容易地与数字控制器连接,形成一个三相系统,如图 3 所示。
图 3:基于 3.6-kV/400-A IPM 的三相系统
IPM 内部布局如图 4 所示。上下器件均包含 SuperMOS 的四个分支,每个分支都包含三个 1.2-kV SiC MOSFET。
图 4:IPM 主电路图
图 5 显示了单个分支的详细视图。 R1–R3 是实现静态电压平衡所需的 1-MΩ 电阻器,而 C1–C3 用于动态电压平衡并作为导通门电路的一部分用于上部开关 Q2-Q3。Rg2-Rg3 电阻用于限制开关期间栅极支路的充电和放电电流,而 Dz2-Dz3 是齐纳二极管,用于钳位 Q2-Q3 的栅极电压。,D1–D2 是 1-kV 雪崩二极管,用于钳位电压并在开启期间增强栅极驱动器性能。
图5:一支路电流回路及电流路径PCB设计
所有性能测量均在室温下进行。图 6 显示了作为外加电压函数的泄漏电流。在 3 kV 时,其下(低侧)和上(高侧)开关的值为 4 mA,主要是由于静态平衡电阻器。然而,它的值可以通过使用更大的电阻来降低。图 7 显示了在 V GS = 20 V 时测量和计算的正向传导特性。在室温下,IPM 计算出的导通电阻为 16.75 mΩ。
图 6:室温下的漏电流
图 7:室温下的正向传导特性
关于动态性能,它已在室温下使用双脉冲测试仪进行表征。开通和关断波形,以及 2-kV/100-A 开关期间的动态性能,如图 8 所示。
图 8:2 kV/100 A 时的开启/关闭和动态电压平衡波形
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