三相1200V/450A SiC MOSFET电动汽车智能功率模块
更新时间:2020-06-28 点击:74

三相1200V/450A SiC MOSFET电动汽车智能功率模块


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模块解决方案,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 SiC MOSFET 功率电路,可用于水冷功率系统。本文简要介绍了该功率模块的关键电气和热特性,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。


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


MOSFET 智能功率模块


三相全桥水冷SiC MOSFET 智能功率模块CXT-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。新模块通过轻巧的AlSiC针翅底板进行水冷,结至流体的热阻为 0.15℃/W。该智能功率模块的额定结温高达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


该智能功率模块是为高热环境的稳定性应用而设计的,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,该智能功率模块通过轻巧的 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)被视为比较功率模块的额定功率的标 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 曲线对于了解模块的适用性更为有用。CISSOID 的智能功率模块平台具有系列可扩展性,例如,从图3还可推断(虚线)出未来的 1200V/600A 模块的安全工作范围。


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 功率模块(CXTPLA3SA12450AA)的相电流(Arm s)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-TI T8243和 CMT-TI T0697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 功率模块的顶部,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-TI T8243 和 CMT-TI T0697,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 功率模块的 CMT-TI T0697 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。该模块的总栅极电荷为 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模块。


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。


栅极驱动器保护功能


栅极驱动器保护功能对于确保功率模块的安全运行至关重 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保护功能:


  • 欠压锁 定保护(UV LO):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保护、报告故障。

  • 防重叠保护:避免同时开启高侧和低侧功率电路,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 功率模块。这个新的、可扩展的平台系列,优化了功率模块的电气、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。