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(tǒng)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(xù)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(yōu)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(jié)省工程資源，從而能夠有效地應對上述兩項挑戰(zhàn)。
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(yōu)化和協(xié)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(yōu)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(wěn)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(huán)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(yōu)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(tǒng)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(tǒng)設計人員由此作為起點，可在極短的時間內實現目標系統(tǒng)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(tǒng)級的協(xié)調以獲得整體性能的最佳優(yōu)化，在提供最優(yōu)性能的同時，也有效地降低了散熱系統(tǒng)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(xù)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(xù)漏極電流允許值與外殼溫度之間的關系
最大連續(xù)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(fā)中）進行推斷
此外，門極驅動器還包括了直流側電壓監(jiān)測功能，采用了更為緊湊的變壓器模塊；最后，CXT-PLA3SA12450AA 的安全規(guī)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(huán)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(huán)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(lián)的門極電阻，實際的最大 dv/dt 值可達 10~20 KV/?s 。門極驅動電路的設計可以抵抗高達 50KV/?s 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(tǒng)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(jiān)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(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(tǒng)設計人員提供了一種優(yōu)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.