智能功率模块助力业界加速迈向基于碳化硅(SiC)的电动汽车

　　当前，新型快速开关的碳化硅(SiC)功率晶体管主要以分立器件或裸芯片的形式被广泛供应，SiC器件的一系列特性，如高阻断电压、低导通电阻、高开关速度和耐高温性能，使系统工程师能够在电机驱动控制器和电池充电器的尺寸、重量控制和效率提升等方面取得显著进展，同时推动SiC器件的价格持续下降。然而，在大功率应用中采用SiC还存在一些重要的制约因素，包括经过良好优化的功率模块的可获得性，还有设计高可靠门级驱动的学习曲线。智能功率模块(IPM)通过提供高度集成、即插即用的解决方案，可以加速产品上市并节省工程资源，从而能够有效地应对上述两项挑战。

　　本文讨论了在电动汽车应用的功率转换器设计中选择CISSOID三相全桥1200V SiC MOSFET智能功率模块(IPM)体系所带来的益处，尤其表现在该体系是一个可扩展的平台系列。该体系利用了低内耗技术，提供了一种已整合的解决方案，即IPM;IPM由门极驱动电路和三相全桥水冷式碳化硅功率模块组成，两者的配合已经过优化和协调。本文不仅介绍了IPM的电气和散热特性，还讨论了IPM如何实现SiC器件优势的充分利用，及其中   为关键的因素，即使门极驱动器设计及SiC 功率电路驱动安全、可靠地实现。

　　图1 CXT-PLA3SA12450AA三相全桥1200V/450A SiC智能功率模块IPM

　　凭借低内耗和增强的热稳定性实现更高的功率密度

　　CXT-PLA3SA12450AA是CISSOID三相全桥1200V SiC智能功率模块(IPM)体系中的一员，该体系包括了额定电流300A到600A的多个产品。这款三相全桥IPM具有较低导通损耗(Ron仅为3.25mΩ)、较低开关损耗，在600V/300A时开启和关断能量分别为7.8mJ和8mJ(见表1)。相比  的IGBT功率模块，同等工况下的开关损耗降低了至少三分之二。CXT-PLA3SA12450AA通过一个轻量化的铝碳化硅(AlSiC)针翅底板进行水冷，结到流体的热阻(Rjl)为0.15°C/W。CXT-PLA3SA12450AA的额定结温高达175°C，门栅极驱动电路可以在高达125°C的环境中运行。该IPM能够承受高达3600V的隔离电压(已经过50Hz、1分钟的耐压测试)。

　　CXT-PLA3SA12450AA的一大优势，即门级驱动和功率部分(含有AlSiC针翅水冷底板)高度集成。该特点使得IPM与电驱总成的其他部分，如直流电容、冷却系统可以快速结合，如图2所示。CISSOID提供了各个部件的   的3D参考设计，客户的系统设计人员由此作为起点，可在极短的时间内实现目标系统设计。

　　IPM充分利用了SiC功率器件的低导通和低开关损耗特性，并与门级驱动进行了系统级的协调以获得整体性能的  优化，在提供   性能的同时，也有效地降低了散热系统的空间占用，并提高了功率转换器的效率。

　　在Rjl(结到流体热阻)为 0.15°C/W，流速为10L/min(50%乙二醇，50%水)，入口水温75°C的条件下，可以计算出  连续漏极电流允许值与外壳温度之间的关系(基于  结温时的导通电阻和  工作结温来计算)，如图3所示。

　　  连续漏极电流(允许值)有助于理解和比较功率模块的额定电流;品质因数(Figure of Merit ，FoM)则揭示了相电流均值与开关频率的关系，如图4所示。该曲线是针对总线电压600V、外壳温度90°C、结温175°C和占空比为50%的情况计算的。FoM 曲线对于了解模块的适用性更为有用。由于CXT-PLA3SA12450AA的可扩展性，图4还推断出了1200V/600A 模块的安全工作范围(虚线所示)。

　　图4 CXT-PLA3SA12450AA的相电流(Arms)与开关频率的关系

　　(测试条件：VDC= 600V，Tc = 90°C，Tj <175°C，D = 50%)，以及对未来的1200V/600A 模块(CXT-PLA3SA12600AA，正在开发中)进行推断

　　此外，门极驱动器还包括了直流侧电压监测功能，采用了更为紧凑的变压器模块;   ，CXT-PLA3SA12450AA的安全规范符合2级污染度要求的爬电距离。

　　鲁棒的SiC门极驱动器使实现快速开关和低损耗成为可能

　　CXT-PLA3SA12450AA的三相全桥门极驱动器设计，充分利用了CISSOID在单相SiC门极驱动器上所积累的经验，例如，CISSOID分别针对62mm 1200V/300A 和快速开关 XM3 1200V/450A SiC功率模块设计的CMT-TIT8243 [1，2]和CMT-TIT0697 [3]单相栅极驱动器(见图5)。

　　和CMT-TIT8243、CMT-TIT0697一样，CXT-PLA3SA12450AA的  工作环境温度也为 125°C，所有元件均经过了精心选择和尺寸确认，以保证在此额定温度下运行。该IPM还凭借 CISSOID的高温门极驱动器芯片组[4，5]以及低寄生电容(典型值为10pF)的电源变压器设计，使得高 dv/dt 和高温度环境下的共模电流降到  点。

　　图5 用于快速开关XM3 1200V/450A SiC MOSFET功率模块的CMT-TIT0697门极驱动器板

　　CXT-PLA3SA12450AA 栅极驱动器仍有余量来支持功率模块的可扩展性。该模块的总门极电荷为 910nC。当开关频率为 25KHz 时，平均门极电流为 22.75mA。这远远低于板载隔离DC-DC 电源的  电流能力95mA。因此，无需修改门极驱动器板，就可以提高功率模块的电流能力和门极充电。使用多个并联的门极电阻，实际的   dv/dt 值可达10~20 KV/?s 。门极驱动电路的设计可以抵抗高达 50KV/?s 的 dv/dt，从而在 dv/dt可靠性方面提供了足够的余量。

　　门极驱动器的保护功能提高了系统的功能安全性

　　门极驱动器的保护功能对于确保功率模块安全运行至关重要，当驱动快速开关的SiC功率部件时更是如此。CXT-PLA3SA12450AA门极驱动电路可以提供如下保护功能：

　　欠压锁定(UVLO)：CXT-PLA3SA12450AA门极驱动器会同时监测初级和次级电压，并在低于编程电压时  故障。

　　防重叠：避免同时导通上臂和下臂，以防止半桥短路 。

　　防止次级短路：隔离型DC-DC 电源逐个周期的电流限制功能，可以防止门极驱动器发生任何短路(例如栅极 - 源极短路)。

　　毛刺滤波器 ：抑制输入PWM信号的毛刺，这些毛刺很可能是由共模电流引起的。

　　有源米勒钳位(AMC)：在关断后建立起负的门极电阻旁路，以保护功率MOSFET不受寄生导通的影响。

　　去饱和检测：导通时，在消隐时间之后检查功率通道的漏源电压是否高于阈值。

　　软关断：在出现故障的情况下，可以缓慢关闭功率通道，以  地降低因高 di/dt引起的过冲。

　　结论

　　CISSOID的SiC智能功率模块体系，为系统设计人员提供了一种优化的解决方案，可以极大地加速他们的设计工作。驱动和水冷模块的集成从一开始就提供了可信赖的电气和热特性，从而缩短了有效使用全新技术通常所需要的漫长学习曲线。CISSOID全新的、可扩展的IPM体系，将为电动汽车应用中SiC技术的探索者提供强大的技术支持。