三相1200V/450A SiC MOSFET電動汽車智能功率模塊
發布時間：2020-06-16 責任編輯：lina
【導讀】越來越多的領先電動汽車製造商正在將碳化矽（SiC MOSFET）功率場效應管用於牽引逆變器，其中有些還采用了非傳統的分立器件封裝。但是，目前很難找到針對電動機驅動而優化的 SiC 功率模塊來適配不同的應用。更進一步，將快速開關的 SiC 功率模塊與柵極驅動器、去耦及水冷等整合為驅動總成，還要麵對一些新的挑戰。
越來越多的領先電動汽車製造商正在將碳化矽（SiC MOSFET）功率場效應管用於牽引逆變器，其中有些還采用了非傳統的分立器件封裝。但是，目前很難找到針對電動機驅動而優化的 SiC 功率模塊來適配不同的應用。更進一步，將快速開關的 SiC 功率模塊與柵極驅動器、去(qu)耦(ou)及(ji)水(shui)冷(leng)等(deng)整(zheng)合(he)為(wei)驅(qu)動(dong)總(zong)成(cheng)，還(hai)要(yao)麵(mian)對(dui)一(yi)些(xie)新(xin)的(de)挑(tiao)戰(zhan)。因(yin)此(ci)，經(jing)過(guo)完(wan)全(quan)優(you)化(hua)和(he)高(gao)度(du)集(ji)成(cheng)的(de)智(zhi)能(neng)功(gong)率(lv)模(mo)塊(kuai)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)，可(ke)以(yi)為(wei)客(ke)戶(hu)節(jie)省(sheng)大(da)量(liang)的(de)開(kai)發(fa)時(shi)間(jian)和(he)工(gong)程(cheng)資(zi)源(yuan)。
本文介紹了一種用於電動汽車電機驅動、或電力逆變器的新型 三 相 1200V SiC MOSFET 智 能 功 率 模 塊（IPM）。 該 IPM提供了一種多合一的解決方案，含有柵極驅動器和三相全橋 SiCMOSFET 功率電路，可用於水冷功率係統。本文簡要介紹了該功率模塊的關鍵電氣和熱特性，討論了其安全操作區域；最後，說明了柵極驅動器的關鍵特性 ， 及其安全可靠的驅動 SiC MOSFET 的綜合能力。
圖 1：CXT-PLA3SA12450AA 三相全橋 1200V/450A SiC
三相全橋水冷 SiC MOSFET 智能功率模塊CXT-PLA3SA12450AA是一個可擴展平台係列的首個產品，該三相 1200V/450A SiC MOSFET IPM 具有導通損耗低（Ron為 3.25mΩ）、開關損耗低（7.8mJ 開啟和 8mJ 關斷）等特點（在600V/300A 時，參見表 1）。相對於最新的 IGBT 電源模塊，其損耗至少降低了三分之二。新模塊通過輕巧的 AlSiC 針翅底板進行 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境的穩定性應用而設計的，額定的 最高結溫為 175℃。柵極驅動器本身具備在最高環境工作溫度為 125℃的情況下、長時間工作的增強的耐熱能力。 如前所述，該智能功率模塊通過輕巧的 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 溫度之間的關係（根據最大 Tj 時的導通電阻，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，而品質因數（FoM，Figure of Merit）則揭示了 RMS 相 電流與開關頻率的關係，如圖 3 所示；該曲線是針對 600V 的 DC總線電壓、90℃的外殼溫度、175℃的結溫和 50％占空比計算的。
該 FoM 曲線對於了解模塊的適用性更為有用。CISSOID 的智能功率模塊平台具有係列可擴展性，例如，從圖 3 還可推斷（虛線）出未來的 1200V/600A 模塊的安全工作範圍。
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係 。
圖 3：FoM 曲線， 1200V/450A SiC 功率模塊（CXTPLA3SA12450AA）的相電流（Arms）與開關頻率（條件：VDC= 600V，Tc = 90℃，Tj 《175℃，D = 50％），和預測未來的1200V/600A 模塊（CXT-PLA3SA12600AA，正在開發中）相比較
三相 SiC 柵極驅動器
CXT-PLA3SA12450AA 三相柵極驅動器的設計，源自已經得到充分測試驗證的 CMT-TIT8243 ［1，2］ 和 CMT-TIT0697［3］ 單相柵極驅動器板，分別設計用於 62mm 1200V/300A 和快 速 開 關 XM3 1200V/450A SiC MOSFET 功 率 模 塊（ 請 參見圖 4）。三相柵極驅動器經過優化，可以直接安裝在 CXTPLA3SA12450 功率模塊的頂部，這歸功於更為緊湊的變壓器設計或略微調整的爬電距離設定。CXT-PLA3SA12450AA 柵極驅動器還包括直流總線電壓監視功能。
對於 CMT-TIT8243 和 CMT-TIT0697，柵極驅動器板的最高工作環境溫度為 125℃。板上所有的元器件均經過精心選擇和確認，以保證在此溫度下的運行。這些設計還依靠 CISSOID的高溫柵極驅動器芯片組 ［4、5］ 和針對低寄生電容（典型值為10pF）進行了優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：用於快速切換 XM3 1200V/450A SiC MOSFET 功率模塊的 CMT-TIT0697 柵極驅動器板CXT-PLA3SA12450AA 柵極驅動器仍有足夠的餘量來支持功率模塊的可擴展性。該模塊的總柵極電荷為 910nC。在開關頻率為 25KHz 時，平均柵極電流等於 22.75mA。這遠低於板載隔離式 DC-DC 轉換器的 95mA 最大電流能力。因此，無需修改柵極驅動器板，就可以直接驅動未來柵極電流容量和柵極電荷更高、驅動功率更大的功率模塊。
使用並列的多柵極電阻架構，以適應實際最大 dv/dt 可在10~20 KV/µs 的範圍內（負載相關）。柵極驅動器的本身的設計，足夠抵抗高達 50KV/µs 的 dv/dt（感性負載），從而在 dv/dt 魯棒性方麵提供了足夠的餘量。
柵極驅動器保護功能
柵極驅動器保護功能對於確保功率模塊的安全運行至關重 要。 在 驅 動 快 速 開 關 的 SiC MOSFET 時 尤 其 如 此。CXTPLA3SA12450 柵極驅動器提供以下保護功能：
√ ， 欠壓鎖定保護（UVLO）：CXT-PLA3SA12450AA 柵極驅動器監視初級和次級電壓，並在低於編程要求電壓時自動啟動保護、報告故障。
√ ， 防重疊保護：避免同時開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行電流 限製，從而防止柵極驅動器發生任何短路（例如，柵極 - 源極 短路）。
√ ， 毛刺濾波器：抑製輸入 PWM 信號上的毛刺，這些毛刺經常是 由於共模電流引起的。
√ ， 有源米勒鉗位（AMC）：關斷後實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：在打開時，在消隱時間之後檢查功率 MOSFET 漏源電壓是否低於閾值。
√ ， 軟關斷：在出現故障的情況下，將緩慢關閉功率晶體管，以最 大程度地降低由於高 di/dt 而引起的過衝。
結論
本文提出了一種新型的三相 1200V/450A SiC MOSFET 智能 功率模塊。這個新的、可擴展的平台係列，優化了功率模塊的電氣、 機械和散熱設計及其控製驅動，將有助於所有希望采用 SiC 功率器 件以提高驅動效率、減低電機驅動尺寸和重量的電動汽車 OEM 和 電機製造商，極大地幫助其縮短產品的上市時間。
參考文獻
［1］ CMT-TIT8243： 1200V High Temperature （125 ℃ ） HalfBridge 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 ℃ ） HalfBridge 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/CMTHADES2P-High-temperature-Isolated-Gate-driverPrimary-side.pdf
［5］ High Temperature Gate Driver -Secondary Side IC Datasheet： Driver & Protection Functions http://www. cissoid.com/files/files/products/titan/CMT-HADES2SHigh-temperature-Gate-Driver-Secondary-side.pdf
（作者：CISSOID 首席技術官，Pierre Delatte）
免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在於傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問題，請聯係小編進行處理。
特別推薦
- 噪聲中提取真值！瑞盟科技推出MSA2240電流檢測芯片賦能多元高端測量場景
- 10MHz高頻運行！氮矽科技發布集成驅動GaN芯片，助力電源能效再攀新高
- 失真度僅0.002%！力芯微推出超低內阻、超低失真4PST模擬開關
- 一“芯”雙電！聖邦微電子發布雙輸出電源芯片，簡化AFE與音頻設計
- 一機適配萬端：金升陽推出1200W可編程電源，賦能高端裝備製造
技術文章更多>>
- 芯科科技Tech Talks與藍牙亞洲大會聯動，線上線下賦能物聯網創新
- 冬季續航縮水怎麼辦？揭秘熱管理係統背後的芯片力量
- 從HDMI 2.1到UFS 5.0：SmartDV以領先IP矩陣夯實邊緣計算基石
- 小空間也能實現低噪供電！精密測量雙極性電源選型指南，覆蓋小功率到大電流全場景
- 直擊藍牙亞洲大會 2026：Nordic 九大核心場景演繹“萬物互聯”新體驗
技術白皮書下載更多>>
- 車規與基於V2X的車輛協同主動避撞技術展望
- 數字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰
- 汽車模塊拋負載的解決方案
- 車用連接器的安全創新應用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索
創智成
磁傳感器
磁環電感
磁敏三極管
磁性存儲器
磁性元件
磁珠電感
存儲器
大功率管
單向可控矽
刀開關
等離子顯示屏
低頻電感
低通濾波器
低音炮電路
滌綸電容
點膠設備
電池
電池管理係統
電磁蜂鳴器
電磁兼容
電磁爐危害
電動車
電動工具
電動汽車
電感
電工電路
電機控製
電解電容
電纜連接器
