基于電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)的功率模塊

　　來(lái)越多的領(lǐng)先電動(dòng)汽車制造商正在將碳化硅（SiC MOSFET ）功率場(chǎng)效應(yīng)管 用于牽引逆變器，其中有些還采用了非傳統(tǒng)的分立器件封裝。但是，目前很難找到針對(duì)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)而優(yōu)化的 SiC 功率模塊來(lái)適配不同的應(yīng)用。更進(jìn)一步，將快速開關(guān)的 SiC 功率模塊與柵極驅(qū)動(dòng)器、去耦及水冷等整合為驅(qū)動(dòng)總成，還要面對(duì)一些新的挑戰(zhàn)。因此，經(jīng)過完全優(yōu)化和高度集成的智能功率模塊解決方案，可以為客戶節(jié)省大量的開發(fā)時(shí)間和工程資源。

　　本文介紹了一種用于電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)、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(qū)動(dòng)器和三相全橋 SiC MOSFET 功率電路，可用于水冷功率系統(tǒng)。本文簡(jiǎn)要介紹了該功率模塊的關(guān)鍵電氣和熱特性，討論了其安全操作區(qū)域；最后，說明了柵極驅(qū)動(dòng)器的關(guān)鍵特性， 及其安全可靠的驅(qū)動(dòng) SiC MOSFET 的綜合能力。

　　MOSFET 智能功率模塊

　　三相全橋水冷 SiC MOSFET 智能功率模塊 CXT-PLA3SA12450AA 是一個(gè)可擴(kuò)展平臺(tái)系列的首個(gè)產(chǎn)品，該三相 1200V/450A SiC MOSFET IPM 具有導(dǎo)通損耗低（Ron 為 3.25mΩ）、開關(guān)損耗低（7.8mJ 開啟和 8mJ 關(guān)斷）等特點(diǎn)（在 600V/300A 時(shí)，參見表 1）。相對(duì)于最新的 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(jìn)行水冷，結(jié)至流體的熱阻為 0.15℃/W。該智能功率模塊的額定結(jié)溫高達(dá) 175℃，可以承受高達(dá) 3600V（50Hz，1min）的隔離電壓。

　　表 1：CXT-PLA3SA12450AA 的主要特性

　　熱穩(wěn)定性和安全的工作區(qū)域

　　該智能功率模塊是為高熱環(huán)境的穩(wěn)定性應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，額定的最高結(jié)溫為 175℃。柵極驅(qū)動(dòng)器本身具備在最高環(huán)境工作溫度為 125℃的情況下、長(zhǎng)時(shí)間工作的增強(qiáng)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(jié)至流體熱阻為 0.15℃ /W，當(dāng)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(dá) 75℃。

　　最大連續(xù)漏極電流 （Id）與 CXT-PLA3SA12450AA 的外殼溫度之間的關(guān)系（根據(jù)最大 Tj 時(shí)的導(dǎo)通電阻，熱阻和最大工作結(jié)溫計(jì)算）如圖 2 所示。

　　最大連續(xù)漏極電流（Id）被視為比較功率模塊的額定功率的標(biāo) 準(zhǔn)參數(shù)，而品質(zhì)因數(shù)（FoM，F(xiàn)igure of Merit）則揭示了 RMS 相電流與開關(guān)頻率的關(guān)系，如圖 3 所示；該曲線是針對(duì) 600V 的 DC 總線電壓、90℃的外殼溫度、175℃的結(jié)溫和 50％占空比計(jì)算的。

　　該 FoM 曲線對(duì)于了解模塊的適用性更為有用。CISSOID 的智能功率模塊平臺(tái)具有系列可擴(kuò)展性，例如，從圖 3 還可推斷（虛線）出未來(lái)的 1200V/600A 模塊的安全工作范圍。

　　圖 2：最大連續(xù)漏極電流降額（Id）與 CXT-PLA3SA12450AA 的外殼溫度之間的關(guān)系 。

　　圖 3：FoM 曲線， 1200V/450A SiC 功率模塊（CXTPLA3SA12450AA）的相電流（Arm s）與開關(guān)頻率（條件：VDC= 600V，Tc = 90℃，Tj 《175℃，D = 50％），和預(yù)測(cè)未來(lái)的 1200V/600A 模塊（CXT-PLA3SA12600AA，正在開發(fā)中）相比較

　　三相 SiC 柵極驅(qū)動(dòng)器

　　CXT-PLA3SA12450AA 三相柵極驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)，源自已經(jīng)得到充分測(cè)試驗(yàn)證的 CMT-TI T8243 和 CMT-TI T0697 單相柵極驅(qū)動(dòng)器板，分別設(shè)計(jì)用于 62mm 1200V/300A 和快速開關(guān) XM3 1200V/450A SiC MOSFET 功率模塊（請(qǐng)參見圖 4）。三相柵極驅(qū)動(dòng)器經(jīng)過優(yōu)化，可以直接安裝在 CXTPLA3SA12450 功率模塊的頂部，這歸功于更為緊湊的變壓器設(shè)計(jì)或略微調(diào)整的爬電距離設(shè)定。CXT-PLA3SA12450AA 柵極驅(qū)動(dòng)器還包括直流總線電壓監(jiān)視功能。

　　對(duì)于 CMT-TI T8243 和 CMT-TI T0697，柵極驅(qū)動(dòng)器板的最高工作環(huán)境溫度為 125℃。板上所有的元器件 均經(jīng)過精心選擇和確認(rèn)，以保證在此溫度下的運(yùn)行。這些設(shè)計(jì)還依靠 CISSOID 的高溫柵極驅(qū)動(dòng)器芯片組和針對(duì)低寄生電容（典型值為 10pF）進(jìn)行了優(yōu)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：用于快速切換 XM3 1200V/450A SiC MOSFET 功率模塊的 CMT-TI T0697 柵極驅(qū)動(dòng)器板

　　CXT-PLA3SA12450AA 柵極驅(qū)動(dòng)器仍有足夠的余量來(lái)支持功率模塊的可擴(kuò)展性。該模塊的總柵極電荷為 910nC。在開關(guān)頻率為 25KHz 時(shí)，平均柵極電流等于 22.75mA。這遠(yuǎn)低于板載隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的 95mA 最大電流能力。因此，無(wú)需修改柵極驅(qū)動(dòng)器板，就可以直接驅(qū)動(dòng)未來(lái)柵極電流容量和柵極電荷更高、驅(qū)動(dòng)功率更大的功率模塊。

　　使用并列的多柵極電阻架構(gòu)，以適應(yīng)實(shí)際最大 dv/dt 可在 10~20 KV/?s 的范圍內(nèi)（負(fù)載相關(guān)）。柵極驅(qū)動(dòng)器的本身的設(shè)計(jì)，足夠抵抗高達(dá) 50KV/?s 的 dv/dt（感性負(fù)載），從而在 dv/dt 魯棒性方面提供了足夠的余量。

　　柵極驅(qū)動(dòng)器保護(hù)功能

　　柵極驅(qū)動(dòng)器保護(hù)功能對(duì)于確保功率模塊的安全運(yùn)行至關(guān)重 要。在 驅(qū) 動(dòng) 快 速 開 關(guān) 的 SiC MOSFET 時(shí) 尤 其 如 此。CXTPLA3SA12450 柵極驅(qū)動(dòng)器提供以下保護(hù)功能：

　　欠壓鎖 定保護(hù)（UV LO）：CXT-PLA3SA12450AA 柵極驅(qū)動(dòng)器監(jiān)視初級(jí)和次級(jí)電壓，并在低于編程要求電壓時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)保護(hù)、報(bào)告故障。

　　防重疊保護(hù)：避免同時(shí)開啟高側(cè)和低側(cè)功率電路，以防止半橋 短路 。

　　防止次級(jí)短路：隔離的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器可以逐周期地進(jìn)行電流 限制，從而防止柵極驅(qū)動(dòng)器發(fā)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(hào)上的毛刺，這些毛刺經(jīng)常是 由于共模電流引起的。

　　有源米勒鉗位（AMC）：關(guān)斷后實(shí)現(xiàn)負(fù)柵極電阻的旁路，以保 護(hù)功率 MOSFET 免受寄生反射的影響。

　　去飽和檢測(cè)：在打開時(shí)，在消隱時(shí)間之后檢查功率 MOSFET 漏源電壓是否低于閾值。

　　軟關(guān)斷：在出現(xiàn)故障的情況下，將緩慢關(guān)閉功率晶體管 ，以最 大程度地降低由于高 di/dt 而引起的過沖。