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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

2020-11-03
作者:Pierre Delatte ,CISSOID首席技术官
来源:CISSOID
关键词: MOSFET PWM DC-DC电源

  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,及其中最为关键的因素,即使门极驱动器设计及 SiC 功率电路驱动安全、可靠地实现。

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  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)。相比最先进的 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)。

表 1  CXT-PLA3SA12450AA 三相 1200V/450A SiC MOSFET 智能功率模块的主要特性

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三维模型和可信赖的散热特性使快速地实现功率转换器设计成为可能

  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 提供了各个部件的精确的 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最佳优化,在提供最优性能的同时,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。

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  图 2  CXT-PLA3SA12450AA 与 DC 电容和水冷的集成

  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,可以计算出最大连续漏极电流允许值与外壳温度之间的关系(基于最高结温时的导通电阻和最大工作结温来计算),如图 3 所示。

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  图 3  CXT-PLA3SA12450AA 最大连续漏极电流允许值与外壳温度之间的关系

  最大连续漏极电流(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)。

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  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;最后,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 的最高工作环境温度也为 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最低点。

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  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 电源的最大电流能力 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,实际的最大 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报告故障。

  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,以最大程度地降低因高 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。

参考文献

[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.


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