智能功率模塊助力業界加速邁向基于碳化硅（SiC）的電動汽車

當前，新型快速開關的碳化硅（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，SiC器件的一系列特性，如高阻斷電壓、低導通電阻、高開關速度和耐高溫性能，使系統工程師能夠在電機驅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展，同時推動SiC器件的價格持續下降。然而，在大功率應用中采用SiC還存在一些重要的制約因素，包括經過良好優化的功率模塊的可獲得性，還有設計高可靠門級驅動的學習曲線。智能功率模塊（IPM）通過提供高度集成、即插即用的解決方案，可以加速產品上市并節省工程資源，從而能夠有效地應對上述兩項挑戰。

本文討論了在電動汽車應用的功率轉換器設計中選擇CISSOID三相全橋1200V SiC MOSFET智能功率模塊（IPM）體系所帶來的益處，尤其表現在該體系是一個可擴展的平臺系列。該體系利用了低內耗技術，提供了一種已整合的解決方案，即IPM；IPM由門極驅動電路和三相全橋水冷式碳化硅功率模塊組成，兩者的配合已經過優化和協調。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SiC器件優勢的充分利用，及其中最為關鍵的因素，即使門極驅動器設計及SiC 功率電路驅動安全、可靠地實現。

圖1 CXT-PLA3SA12450AA三相全橋1200V/450A SiC智能功率模塊IPM

憑借低內耗和增強的熱穩定性實現更高的功率密度

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的多個產品。這款三相全橋IPM具有較低導通損耗（Ron僅為3.25mΩ）、較低開關損耗，在600V/300A時開啟和關斷能量分別為7.8mJ和8mJ（見表1）。相比最先進的IGBT功率模塊，同等工況下的開關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）針翅底板進行水冷，結到流體的熱阻（Rjl）為0.15°C/W。CXT-PLA3SA12450AA的額定結溫高達175°C，門柵極驅動電路可以在高達125°C的環境中運行。該IPM能夠承受高達3600V的隔離電壓（已經過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功率轉換器設計成為可能

CXT-PLA3SA12450AA的一大優勢，即門級驅動和功率部分（含有AlSiC針翅水冷底板）高度集成。該特點使得IPM與電驅總成的其他部分，如直流電容、冷卻系統可以快速結合，如圖2所示。CISSOID提供了各個部件的精確的3D參考設計，客戶的系統設計人員由此作為起點，可在極短的時間內實現目標系統設計。

IPM充分利用了SiC功率器件的低導通和低開關損耗特性，并與門級驅動進行了系統級的協調以獲得整體性能的最佳優化，在提供最優性能的同時，也有效地降低了散熱系統的空間占用，并提高了功率轉換器的效率。

圖2  CXT-PLA3SA12450AA與DC電容和水冷的集成

在Rjl（結到流體熱阻）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漏極電流允許值與外殼溫度之間的關系（基于最高結溫時的導通電阻和最大工作結溫來計算），如圖3所示。

圖3  CXT-PLA3SA12450AA最大連續漏極電流允許值與外殼溫度之間的關系

最大連續漏極電流（允許值）有助于理解和比較功率模塊的額定電流；品質因數（Figure of Merit ，FoM）則揭示了相電流均值與開關頻率的關系，如圖4所示。該曲線是針對總線電壓600V、外殼溫度90°C、結溫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）與開關頻率的關系

（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，正在開發中）進行推斷

此外，門極驅動器還包括了直流側電壓監測功能，采用了更為緊湊的變壓器模塊；最后，CXT-PLA3SA12450AA的安全規范符合2級污染度要求的爬電距離。

魯棒的SiC門極驅動器使實現快速開關和低損耗成為可能

CXT-PLA3SA12450AA的三相全橋門極驅動器設計，充分利用了CISSOID在單相SiC門極驅動器上所積累的經驗，例如，CISSOID分別針對62mm 1200V/300A 和快速開關 XM3 1200V/450A SiC功率模塊設計的CMT-TIT8243 [1，2]和CMT-TIT0697 ^[3]單相柵極驅動器（見圖5）。

和CMT-TIT8243、CMT-TIT0697一樣，CXT-PLA3SA12450AA的最高工作環境溫度也為 125°C，所有元件均經過了精心選擇和尺寸確認，以保證在此額定溫度下運行。該IPM還憑借 CISSOID的高溫門極驅動器芯片組[4，5]以及低寄生電容（典型值為10pF）的電源變壓器設計，使得高 dv/dt 和高溫度環境下的共模電流降到最低點。

圖5 用于快速開關XM3 1200V/450A SiC MOSFET功率模塊的CMT-TIT0697門極驅動器板

CXT-PLA3SA12450AA 柵極驅動器仍有余量來支持功率模塊的可擴展性。該模塊的總門極電荷為 910nC。當開關頻率為 25KHz 時，平均門極電流為 22.75mA。這遠遠低于板載隔離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。使用多個并聯的門極電阻，實際的最大 dv/dt 值可達10~20 KV/μs 。門極驅動電路的設計可以抵抗高達 50KV/μs 的 dv/dt，從而在 dv/dt可靠性方面提供了足夠的余量。

門極驅動器的保護功能提高了系統的功能安全性

門極驅動器的保護功能對于確保功率模塊安全運行至關重要，當驅動快速開關的SiC功率部件時更是如此。CXT-PLA3SA12450AA門極驅動電路可以提供如下保護功能：

欠壓鎖定（UVLO）：CXT-PLA3SA12450AA門極驅動器會同時監測初級和次級電壓，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，可以防止門極驅動器發生任何短路（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）：在關斷后建立起負的門極電阻旁路，以保護功率MOSFET不受寄生導通的影響。

去飽和檢測：導通時，在消隱時間之后檢查功率通道的漏源電壓是否高于閾值。

軟關斷：在出現故障的情況下，可以緩慢關閉功率通道，以最大程度地降低因高 di/dt引起的過沖。

結論

CISSOID的SiC智能功率模塊體系，為系統設計人員提供了一種優化的解決方案，可以極大地加速他們的設計工作。驅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通常所需要的漫長學習曲線。CISSOID全新的、可擴展的IPM體系，將為電動汽車應用中SiC技術的探索者提供強大的技術支持。

參考文獻

[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.