一种新型3.6-kV/400-A SiC IPM可提升电源应用的性能

出处:厂商供稿 发布于:2022-08-05 17:22:41

    高能效对于多种大电流电源应用至关重要,包括工业电机驱动器、可再生能源系统和固态变压器。尽管硅长期以来一直是这些应用中使用的主要半导体,但由于SiC提供的卓越静态和动态性能,中压碳化硅 MOSFET 功率模块正成为替代当前 Si IGBT 模块的解决方案。
    中压 SiC MOSFET 和 JFET 器件已由多家供应商开发,电压范围从 3.3 kV 到 15 kV,以及基于单芯片技术的 3.3-kV SiC MOSFET。2本文将重点介绍基于 1.2-kV SiC MOSFET 串联连接的 7.2-kV/60-A SiC AusTIn SuperMOS 开关。将推出一种新颖的 3.6-kV/400-A 半桥智能电源模块 (IPM),以展示 SuperMOS 概念的可扩展性。(原来的文章,可以发现在这里。1)
    电路

    半桥上下栅极驱动器由高压隔离电源供电(如图 1 所示),该电源基于具有 10 kV 隔离的矩阵变压器 LLC 转换器。3

    图 1:栅极驱动电源电路图
    半桥 IPM 包括一个 LLC 谐振转换器和两个整流器单元(上侧和下侧),它们通过两个高频变压器供电,每个高频变压器都包含一个封闭在定制 3D 打印骨架中的环形磁芯和次级绕组缠绕在铁芯上。高压初级绕组采用硅橡胶为绝缘材料,达到30kV的额定隔离电压。智能栅极驱动器采用光触发方式,具有智能欠压锁定和过流和过热保护功能。
    模块

    建议的 3.6-kV/400-A 半桥电源模块如图 2a(分解图)和图 2b(原型)所示。它具有三个高功率连接(V DC+、V DC–和 SW 节点)和四个光纤连接,用于两个 PWM 输入和两个故障输出。集成 12 个基于 AusTIn SuperMOS 配置的 1,200-V SiC MOSFET,4该模块使用专用 PCB 来创建低电感电源回路,并具有内部去耦电容器和 SuperMOS 电压平衡电路。功率回路结构设计有磁通抵消效果,以实现低寄生电感。分立的 SiC MOSFET 衬底是用 1 毫米厚的氮化铝 (AIN) 直接键合铜实现的,从而提高了散热和绝缘电压。

    图 2:开发的 3.6-kV/400-A SiC IPM

    通过添加一些外部直流电容器,IPM 可以很容易地与数字控制器连接,形成一个三相系统,如图 3 所示。

    图 3:基于 3.6-kV/400-A IPM 的三相系统

    IPM 内部布局如图 4 所示。上下器件均包含 SuperMOS 的四个分支,每个分支都包含三个 1.2-kV SiC MOSFET。

    图 4:IPM 主电路图

    图 5 显示了单个分支的详细视图。 R1–R3 是实现静态电压平衡所需的 1-MΩ 电阻器,而 C1–C3 用于动态电压平衡并作为导通门电路的一部分用于上部开关 Q2-Q3。Rg2-Rg3 电阻用于限制开关期间栅极支路的充电和放电电流,而 Dz2-Dz3 是齐纳二极管,用于钳位 Q2-Q3 的栅极电压。,D1–D2 是 1-kV 雪崩二极管,用于钳位电压并在开启期间增强栅极驱动器性能。

    图5:一支路电流回路及电流路径PCB设计
    当正栅极信号施加到其栅极时,Q1 导通。随着 Q2 的栅源电压 (V GS ) 变为正值,其漏源电压 (V DS ) 趋于下降,从而降低了 Q2 源极的电位。达到阈值电压 (V TH ) 后,Q2 开始导通,其 V DS随后开始下降,从而导通 Q3。要关闭模块,应向 Q1 的栅极施加负栅极驱动器信号,将其关闭。它的 V DS开始增加,导致负的 V GS被施加到 Q2。当 Q2 的 V GS达到其阈值电压时,它关断,其 V DS开始增加,导致 Q3 关断。
    为了减少内部电压过冲,需要具有极低杂散电感的电源回路。为了实现超低杂散电感,应用了电流的磁抵消效应。Q3D 仿真表明环路电感等于 35 nH,包括 PCB 和分立 SiC MOSFET 的电感。通过用裸片芯片代替分立的 MOSFET,可以进一步降低电感。
    绩效衡量

    所有性能测量均在室温下进行。图 6 显示了作为外加电压函数的泄漏电流。在 3 kV 时,其下(低侧)和上(高侧)开关的值为 4 mA,主要是由于静态平衡电阻器。然而,它的值可以通过使用更大的电阻来降低。图 7 显示了在 V GS = 20 V 时测量和计算的正向传导特性。在室温下,IPM 计算出的导通电阻为 16.75 mΩ。

    图 6:室温下的漏电流

    图 7:室温下的正向传导特性

    关于动态性能,它已在室温下使用双脉冲测试仪进行表征。开通和关断波形,以及 2-kV/100-A 开关期间的动态性能,如图 8 所示。

    图 8:2 kV/100 A 时的开启/关闭和动态电压平衡波形
    分别在 2 kV/200 A 和 2 kV/380 A 下的关断波形如图 9 所示。 SiC MOSFET 在开关瞬态期间漏源电压的变化率 (dV/dt) 为 30.7分别为 kV/s 和 38.9 kV/s。
    图 9:2 kV/200 A 和 2 kV/380 A 下的关断波形
    实验结果证实了 IPM 获得的优异的静态和动态性能。如图 8 和图 9 所示,实验结果证实该模块实现了降低的电压过冲,也证实了 IPM 在开启和关闭瞬态时很好地实现了动态电压平衡。
关键词:电子

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