智能功率模块助力业界加速迈向基于碳化硅(SiC)的电动汽车

出处:21ic 发布于:2020-11-03 14:21:08

  当前,新型快速开关的碳化硅(SiC)功率晶体管主要以分立器件或裸芯片的形式被广泛供应,SiC器件的一系列特性,如高阻断电压、低导通电阻、高开关速度和耐高温性能,使系统工程师能够在电机驱动控制器和电池充电器的尺寸、重量控制和效率提升等方面取得显著进展,同时推动SiC器件的价格持续下降。然而,在大功率应用中采用SiC还存在一些重要的制约因素,包括经过良好优化的功率模块的可获得性,还有设计高可靠门级驱动的学习曲线。智能功率模块(IPM)通过提供高度集成、即插即用的解决方案,可以加速产品上市并节省工程资源,从而能够有效地应对上述两项挑战。

  本文讨论了在电动汽车应用的功率转换器设计中选择CISSOID三相全桥1200V SiC MOSFET智能功率模块(IPM)体系所带来的益处,尤其表现在该体系是一个可扩展的平台系列。该体系利用了低内耗技术,提供了一种已整合的解决方案,即IPM;IPM由门极驱动电路和三相全桥水冷式碳化硅功率模块组成,两者的配合已经过优化和协调。本文不仅介绍了IPM的电气和散热特性,还讨论了IPM如何实现SiC器件优势的充分利用,及其中   为关键的因素,即使门极驱动器设计及SiC 功率电路驱动安全、可靠地实现。

  图1 CXT-PLA3SA12450AA三相全桥1200V/450A SiC智能功率模块IPM

  凭借低内耗和增强的热稳定性实现更高的功率密度

  CXT-PLA3SA12450AA是CISSOID三相全桥1200V SiC智能功率模块(IPM)体系中的一员,该体系包括了额定电流300A到600A的多个产品。这款三相全桥IPM具有较低导通损耗(Ron仅为3.25mΩ)、较低开关损耗,在600V/300A时开启和关断能量分别为7.8mJ和8mJ(见表1)。相比  的IGBT功率模块,同等工况下的开关损耗降低了至少三分之二。CXT-PLA3SA12450AA通过一个轻量化的铝碳化硅(AlSiC)针翅底板进行水冷,结到流体的热阻(Rjl)为0.15°C/W。CXT-PLA3SA12450AA的额定结温高达175°C,门栅极驱动电路可以在高达125°C的环境中运行。该IPM能够承受高达3600V的隔离电压(已经过50Hz、1分钟的耐压测试)。

  CXT-PLA3SA12450AA的一大优势,即门级驱动和功率部分(含有AlSiC针翅水冷底板)高度集成。该特点使得IPM与电驱总成的其他部分,如直流电容、冷却系统可以快速结合,如图2所示。CISSOID提供了各个部件的   的3D参考设计,客户的系统设计人员由此作为起点,可在极短的时间内实现目标系统设计。

  IPM充分利用了SiC功率器件的低导通和低开关损耗特性,并与门级驱动进行了系统级的协调以获得整体性能的  优化,在提供   性能的同时,也有效地降低了散热系统的空间占用,并提高了功率转换器的效率。

  在Rjl(结到流体热阻)为 0.15°C/W,流速为10L/min(50%乙二醇,50%水),入口水温75°C的条件下,可以计算出  连续漏极电流允许值与外壳温度之间的关系(基于  结温时的导通电阻和  工作结温来计算),如图3所示。

    连续漏极电流(允许值)有助于理解和比较功率模块的额定电流;品质因数(Figure of Merit ,FoM)则揭示了相电流均值与开关频率的关系,如图4所示。该曲线是针对总线电压600V、外壳温度90°C、结温175°C和占空比为50%的情况计算的。FoM 曲线对于了解模块的适用性更为有用。由于CXT-PLA3SA12450AA的可扩展性,图4还推断出了1200V/600A 模块的安全工作范围(虚线所示)。

  图4 CXT-PLA3SA12450AA的相电流(Arms)与开关频率的关系

  (测试条件:VDC= 600V,Tc = 90°C,Tj <175°C,D = 50%),以及对未来的1200V/600A 模块(CXT-PLA3SA12600AA,正在开发中)进行推断

  此外,门极驱动器还包括了直流侧电压监测功能,采用了更为紧凑的变压器模块;   ,CXT-PLA3SA12450AA的安全规范符合2级污染度要求的爬电距离。

  鲁棒的SiC门极驱动器使实现快速开关和低损耗成为可能

  CXT-PLA3SA12450AA的三相全桥门极驱动器设计,充分利用了CISSOID在单相SiC门极驱动器上所积累的经验,例如,CISSOID分别针对62mm 1200V/300A 和快速开关 XM3 1200V/450A SiC功率模块设计的CMT-TIT8243 [1,2]和CMT-TIT0697 [3]单相栅极驱动器(见图5)。

  和CMT-TIT8243、CMT-TIT0697一样,CXT-PLA3SA12450AA的  工作环境温度也为 125°C,所有元件均经过了精心选择和尺寸确认,以保证在此额定温度下运行。该IPM还凭借 CISSOID的高温门极驱动器芯片组[4,5]以及低寄生电容(典型值为10pF)的电源变压器设计,使得高 dv/dt 和高温度环境下的共模电流降到  点。

  图5 用于快速开关XM3 1200V/450A SiC MOSFET功率模块的CMT-TIT0697门极驱动器板

  CXT-PLA3SA12450AA 栅极驱动器仍有余量来支持功率模块的可扩展性。该模块的总门极电荷为 910nC。当开关频率为 25KHz 时,平均门极电流为 22.75mA。这远远低于板载隔离DC-DC 电源的  电流能力95mA。因此,无需修改门极驱动器板,就可以提高功率模块的电流能力和门极充电。使用多个并联的门极电阻,实际的   dv/dt 值可达10~20 KV/?s 。门极驱动电路的设计可以抵抗高达 50KV/?s 的 dv/dt,从而在 dv/dt可靠性方面提供了足够的余量。

  门极驱动器的保护功能提高了系统的功能安全性

  门极驱动器的保护功能对于确保功率模块安全运行至关重要,当驱动快速开关的SiC功率部件时更是如此。CXT-PLA3SA12450AA门极驱动电路可以提供如下保护功能:

  欠压锁定(UVLO):CXT-PLA3SA12450AA门极驱动器会同时监测初级和次级电压,并在低于编程电压时  故障。

  防重叠:避免同时导通上臂和下臂,以防止半桥短路 。

  防止次级短路:隔离型DC-DC 电源逐个周期的电流限制功能,可以防止门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信号的毛刺,这些毛刺很可能是由共模电流引起的。

  有源米勒钳位(AMC):在关断后建立起负的门极电阻旁路,以保护功率MOSFET不受寄生导通的影响。

  去饱和检测:导通时,在消隐时间之后检查功率通道的漏源电压是否高于阈值。

  软关断:在出现故障的情况下,可以缓慢关闭功率通道,以  地降低因高 di/dt引起的过冲。

  结论

  CISSOID的SiC智能功率模块体系,为系统设计人员提供了一种优化的解决方案,可以极大地加速他们的设计工作。驱动和水冷模块的集成从一开始就提供了可信赖的电气和热特性,从而缩短了有效使用全新技术通常所需要的漫长学习曲线。CISSOID全新的、可扩展的IPM体系,将为电动汽车应用中SiC技术的探索者提供强大的技术支持。


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