三相1200V/450A SiC MOSFET电动汽车智能功率模块-电路?；?电子元件技术网

三相1200V/450A SiC MOSFET电动汽车智能功率?？?/h2>
发布时间：2020-06-16 责任编辑：lina

【导读】越来越多的领先电动汽车制造商正在将碳化硅（SiC MOSFET）功率场效应管用于牵引逆变器，其中有些还采用了非传统的分立器件封装。但是，目前很难找到针对电动机驱动而优化的 SiC 功率模块来适配不同的应用。更进一步，将快速开关的 SiC 功率?？橛?a target="_blank" style="text-decoration:none;" >栅极驱动器、去耦及水冷等整合为驱动总成，还要面对一些新的挑战。

越来越多的领先电动汽车制造商正在将碳化硅（SiC MOSFET）功率场效应管用于牵引逆变器，其中有些还采用了非传统的分立器件封装。但是，目前很难找到针对电动机驱动而优化的 SiC 功率?？槔词逝洳煌挠τ?。更进一步，将快速开关的 SiC 功率模块与栅极驱动器、去耦及水冷等整合为驱动总成，还要面对一些新的挑战。因此，经过完全优化和高度集成的智能功率?？榻饩龇桨?，可以为客户节省大量的开发时间和工程资源。

本文介绍了一种用于电动汽车电机驱动、或电力逆变器的新型三相 1200V SiC MOSFET 智能功率模块（IPM）。该 IPM提供了一种多合一的解决方案，含有栅极驱动器和三相全桥 SiCMOSFET 功率电路，可用于水冷功率系统。本文简要介绍了该功率?？榈墓丶缙腿忍匦?，讨论了其安全操作区域；最后，说明了栅极驱动器的关键特性，及其安全可靠的驱动 SiC MOSFET 的综合能力。

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图 1：CXT-PLA3SA12450AA 三相全桥 1200V/450A SiC

三相全桥水冷 SiC MOSFET 智能功率?？镃XT-PLA3SA12450AA是一个可扩展平台系列的首个产品，该三相 1200V/450A SiC MOSFET IPM 具有导通损耗低（Ron为 3.25mΩ）、开关损耗低（7.8mJ 开启和 8mJ 关断）等特点（在600V/300A 时，参见表 1）。相对于最新的 IGBT 电源模块，其损耗至少降低了三分之二。新?？橥ü崆傻?AlSiC 针翅底板进行水冷，结至流体的热阻为 0.15℃ /W。该智能功率?？榈亩疃ń嵛?高达 175℃，可以承受高达 3600V（50Hz，1min）的隔离电压。

表 1：CXT-PLA3SA12450AA 的主要特性

热稳定性和安全的工作区域

该智能功率?？槭俏呷然肪车奈榷ㄐ杂τ枚杓频?，额定的最高结温为 175℃。栅极驱动器本身具备在最高环境工作温度为 125℃的情况下、长时间工作的增强的耐热能力。如前所述，该智能功率?？橥ü崆傻?AlSiC 针翅底板冷却，每相的结至流体热阻为 0.15℃ /W，当流速为 10L/Min（推荐的冷却液为 50％乙二醇，50％水），允许的流体最高流入端温度可达 75℃。

最大连续漏极电流（Id）与 CXT-PLA3SA12450AA 的外壳温度之间的关系（根据最大 Tj 时的导通电阻，热阻和最大工作结温计算）如图 2 所示。

最大连续漏极电流（Id）被视为比较功率?？榈亩疃üβ实谋?准参数，而品质因数（FoM，Figure of Merit）则揭示了 RMS 相电流与开关频率的关系，如图 3 所示；该曲线是针对 600V 的 DC总线电压、90℃的外壳温度、175℃的结温和 50％占空比计算的。

该 FoM 曲线对于了解?？榈氖视眯愿杏?。CISSOID 的智能功率?？槠教ň哂邢盗锌衫┱剐裕?，从图 3 还可推断（虚线）出未来的 1200V/600A ?？榈陌踩ぷ鞣段А?/div>

图 2：最大连续漏极电流降额（Id）与 CXT-PLA3SA12450AA的外壳温度之间的关系。

图 3：FoM 曲线， 1200V/450A SiC 功率?？椋–XTPLA3SA12450AA）的相电流（Arms）与开关频率（条件：VDC= 600V，Tc = 90℃，Tj 《175℃，D = 50％），和预测未来的1200V/600A 模块（CXT-PLA3SA12600AA，正在开发中）相比较

三相 SiC 栅极驱动器

CXT-PLA3SA12450AA 三相栅极驱动器的设计，源自已经得到充分测试验证的 CMT-TIT8243 ［1，2］和 CMT-TIT0697［3］单相栅极驱动器板，分别设计用于 62mm 1200V/300A 和快速开关 XM3 1200V/450A SiC MOSFET 功率模块（请参见图 4）。三相栅极驱动器经过优化，可以直接安装在 CXTPLA3SA12450 功率?？榈亩ゲ?，这归功于更为紧凑的变压器设计或略微调整的爬电距离设定。CXT-PLA3SA12450AA 栅极驱动器还包括直流总线电压监视功能。

对于 CMT-TIT8243 和 CMT-TIT0697，栅极驱动器板的最高工作环境温度为 125℃。板上所有的元器件均经过精心选择和确认，以保证在此温度下的运行。这些设计还依靠 CISSOID的高温栅极驱动器芯片组［4、5］和针对低寄生电容（典型值为10pF）进行了优化的电源变压器模块，以最大程度地降低高 dv/dt 和高工作温度下的共模反射电流。

图 4：用于快速切换 XM3 1200V/450A SiC MOSFET 功率?？榈?CMT-TIT0697 栅极驱动器板CXT-PLA3SA12450AA 栅极驱动器仍有足够的余量来支持功率模块的可扩展性。该?？榈淖苷ぜ绾晌?910nC。在开关频率为 25KHz 时，平均栅极电流等于 22.75mA。这远低于板载隔离式 DC-DC 转换器的 95mA 最大电流能力。因此，无需修改栅极驱动器板，就可以直接驱动未来栅极电流容量和栅极电荷更高、驱动功率更大的功率?？?。

使用并列的多栅极电阻架构，以适应实际最大 dv/dt 可在10~20 KV/µs 的范围内（负载相关）。栅极驱动器的本身的设计，足够抵抗高达 50KV/µs 的 dv/dt（感性负载），从而在 dv/dt 鲁棒性方面提供了足够的余量。

栅极驱动器?；すδ?/div>

栅极驱动器?；すδ芏杂谌繁９β誓？榈陌踩诵兄凉刂?要。在驱动快速开关的 SiC MOSFET 时尤其如此。CXTPLA3SA12450 栅极驱动器提供以下?；すδ埽?/div>

√ ，欠压锁定?；ぃ║VLO）：CXT-PLA3SA12450AA 栅极驱动器监视初级和次级电压，并在低于编程要求电压时自动启动?；?、报告故障。

√ ，防重叠?；ぃ罕苊馔笨舾卟嗪偷筒喙β实缏?，以防止半桥短路。

√ ，防止次级短路：隔离的 DC-DC 转换器可以逐周期地进行电流限制，从而防止栅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 信号上的毛刺，这些毛刺经常是由于共模电流引起的。

√ ，有源米勒钳位（AMC）：关断后实现负栅极电阻的旁路，以保护功率 MOSFET 免受寄生反射的影响。

√ ，去饱和检测：在打开时，在消隐时间之后检查功率 MOSFET 漏源电压是否低于阈值。

√ ，软关断：在出现故障的情况下，将缓慢关闭功率晶体管，以最大程度地降低由于高 di/dt 而引起的过冲。

结论

本文提出了一种新型的三相 1200V/450A SiC MOSFET 智能功率?？?。这个新的、可扩展的平台系列，优化了功率?？榈牡缙?机械和散热设计及其控制驱动，将有助于所有希望采用 SiC 功率器件以提高驱动效率、减低电机驱动尺寸和重量的电动汽车 OEM 和电机制造商，极大地帮助其缩短产品的上市时间。

参考文献

［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