智能功率模塊助力業(yè)界加速邁向基于碳化硅(SiC)的電動汽車
當(dāng)前,新型快速開關(guān)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(yīng),SiC器件的一系列特性,如高阻斷電壓、低導(dǎo)通電阻、高開關(guān)速度和耐高溫性能,使系統(tǒng)工程師能夠在電機(jī)驅(qū)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(jìn)展,同時推動SiC器件的價格持續(xù)下降。然而,在大功率應(yīng)用中采用SiC還存在一些重要的制約因素,包括經(jīng)過良好優(yōu)化的功率模塊的可獲得性,還有設(shè)計高可靠門級驅(qū)動的學(xué)習(xí)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(chǎn)品上市并節(jié)省工程資源,從而能夠有效地應(yīng)對上述兩項挑戰(zhàn)。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/202011/419927.htm本文討論了在電動汽車應(yīng)用的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)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(xiàn)在該體系是一個可擴(kuò)展的平臺系列。該體系利用了低內(nèi)耗技術(shù),提供了一種已整合的解決方案,即IPM;IPM由門極驅(qū)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(jīng)過優(yōu)化和協(xié)調(diào)。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(xiàn)SiC器件優(yōu)勢的充分利用,及其中最為關(guān)鍵的因素,即使門極驅(qū)動器設(shè)計及SiC 功率電路驅(qū)動安全、可靠地實現(xiàn)。
圖1 CXT-PLA3SA12450AA三相全橋1200V/450A SiC智能功率模塊IPM
憑借低內(nèi)耗和增強(qiáng)的熱穩(wěn)定性實現(xiàn)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(chǎn)品。這款三相全橋IPM具有較低導(dǎo)通損耗(Ron僅為3.25mΩ)、較低開關(guān)損耗,在600V/300A時開啟和關(guān)斷能量分別為7.8mJ和8mJ(見表1)。相比最先進(jìn)的IGBT功率模塊,同等工況下的開關(guān)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(jìn)行水冷,結(jié)到流體的熱阻(Rjl)為0.15°C/W。CXT-PLA3SA12450AA的額定結(jié)溫高達(dá)175°C,門柵極驅(qū)動電路可以在高達(dá)125°C的環(huán)境中運行。該IPM能夠承受高達(dá)3600V的隔離電壓(已經(jīng)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
參數(shù) | 測試條件 | 典型值 | 最大值 |
漏源電壓Vds | 1200V | ||
連續(xù)漏極電流Id | VGS=15V,TC=25°C,Tj<175°C | 450A | |
VGS=15V,TC=90°C,Tj<175°C | 330A | ||
靜態(tài)導(dǎo)通電阻 | VGS=15V,ID=300A,Tj=25°C | 3.25mOhms | 4mOhms |
VGS=15V,ID=300A,Tj=175°C | 5.25mOhms | ||
開關(guān)損耗 (導(dǎo)通)Eon | VDS=600V;VGS= -3/15V; IDS=300A;L=50μH | 7.8mJ | |
開關(guān)損耗 (關(guān)斷)Eoff | 8mJ | ||
隔離電壓 Viso | 50HZ、1分鐘的交流耐壓測試, 底板到電源引腳之間 | 3600VAC | |
熱阻 (結(jié)-流體)Rjl | 每個開關(guān)位置都測試,流量:10L/min; 50%乙二醇,50%水,流入端溫度75°C | 0.15°C/W | |
熱阻( 結(jié)-外殼)Rjc | 每個開關(guān)位置都測試 | 0.13°C/W | |
工作結(jié)溫 Tj | 175°C | ||
底板尺寸 | 104mm(寬) 154mm(長) | ||
重量 | 580g |
三維模型和可信賴的散熱特性使快速地實現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計成為可能
CXT-PLA3SA12450AA的一大優(yōu)勢,即門級驅(qū)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(qū)總成的其他部分,如直流電容、冷卻系統(tǒng)可以快速結(jié)合,如圖2所示。CISSOID提供了各個部件的精確的3D參考設(shè)計,客戶的系統(tǒng)設(shè)計人員由此作為起點,可在極短的時間內(nèi)實現(xiàn)目標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計。
IPM充分利用了SiC功率器件的低導(dǎo)通和低開關(guān)損耗特性,并與門級驅(qū)動進(jìn)行了系統(tǒng)級的協(xié)調(diào)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(zhuǎn)換器的效率。
圖2 CXT-PLA3SA12450AA與DC電容和水冷的集成
在Rjl(結(jié)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(guān)系(基于最高結(jié)溫時的導(dǎo)通電阻和最大工作結(jié)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(guān)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(zhì)因數(shù)(Figure of Merit ,F(xiàn)oM)則揭示了相電流均值與開關(guān)頻率的關(guān)系,如圖4所示。該曲線是針對總線電壓600V、外殼溫度90°C、結(jié)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(kuò)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(guān)頻率的關(guān)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(jìn)行推斷
此外,門極驅(qū)動器還包括了直流側(cè)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(qū)動器使實現(xiàn)快速開關(guān)和低損耗成為可能
CXT-PLA3SA12450AA的三相全橋門極驅(qū)動器設(shè)計,充分利用了CISSOID在單相SiC門極驅(qū)動器上所積累的經(jīng)驗,例如,CISSOID分別針對62mm 1200V/300A 和快速開關(guān) XM3 1200V/450A SiC功率模塊設(shè)計的CMT-TIT8243 [1,2]和CMT-TIT0697 [3]單相柵極驅(qū)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(jīng)過了精心選擇和尺寸確認(rèn),以保證在此額定溫度下運行。該IPM還憑借 CISSOID的高溫門極驅(qū)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(shè)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(guān)XM3 1200V/450A SiC MOSFET功率模塊的CMT-TIT0697門極驅(qū)動器板
CXT-PLA3SA12450AA 柵極驅(qū)動器仍有余量來支持功率模塊的可擴(kuò)展性。該模塊的總門極電荷為 910nC。當(dāng)開關(guān)頻率為 25KHz 時,平均門極電流為 22.75mA。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(qū)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(dá)10~20 KV/μs 。門極驅(qū)動電路的設(shè)計可以抵抗高達(dá) 50KV/μs 的 dv/dt,從而在 dv/dt可靠性方面提供了足夠的余量。
門極驅(qū)動器的保護(hù)功能提高了系統(tǒng)的功能安全性
門極驅(qū)動器的保護(hù)功能對于確保功率模塊安全運行至關(guān)重要,當(dāng)驅(qū)動快速開關(guān)的SiC功率部件時更是如此。CXT-PLA3SA12450AA門極驅(qū)動電路可以提供如下保護(hù)功能:
欠壓鎖定(UVLO):CXT-PLA3SA12450AA門極驅(qū)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(dǎo)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(qū)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(guān)斷后建立起負(fù)的門極電阻旁路,以保護(hù)功率MOSFET不受寄生導(dǎo)通的影響。
去飽和檢測:導(dǎo)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(guān)斷:在出現(xiàn)故障的情況下,可以緩慢關(guān)閉功率通道,以最大程度地降低因高 di/dt引起的過沖。
結(jié)論
CISSOID的SiC智能功率模塊體系,為系統(tǒng)設(shè)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(shè)計工作。驅(qū)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(shù)通常所需要的漫長學(xué)習(xí)曲線。CISSOID全新的、可擴(kuò)展的IPM體系,將為電動汽車應(yīng)用中SiC技術(shù)的探索者提供強(qiáng)大的技術(shù)支持。
參考文獻(xiàn)
[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.
[5] High Temperature Gate Driver -Secondary Side IC Datasheet: Driver & Protection Functions.
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