【产品】三相1200V/450A SiC MOSFET 智能功率模块,用于电动汽车电机驱动或电力逆变器
![SiC MOSFET 智能功率模块,CXT-PLA3SA12450AA,CISSOID](https://www.sekorm.com/front/website/images/sekormContent.jpg)
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越来越多的领先电动汽车制造商正在将碳化硅(SiC MOSFET)功率场效应管用于牵引逆变器,其中有些还采用了非传统的分立器件封装。但是,目前很难找到针对电动机驱动而优化的SiC功率模块来适配不同的应用。更进一步,将快速开关的SiC功率模块与栅极驱动器、去耦及水冷等整合为驱动总成,还要面对一些新的挑战。因此,经过完全优化和高度集成的智能功率模块解决方案,可以为客户节省大量的开发时间和工程资源。
CISSOID推出的一种用于电动汽车电机驱动或电力逆变器的新型三相1200V SiC MOSFET 智能功率模块(IPM)。该IPM提供了一种多合一的解决方案,含有栅极驱动器和三相全桥SiC MOSFET功率电路,可用于水冷功率系统。
图 1:CXT-PLA3SA12450AA 三相全桥1200V/450A SiC MOSFET智能功率模块
三相全桥水冷 SiC MOSFET 智能功率模块
CXT-PLA3SA12450AA是一个可扩展平台系列的首个产品, 该三相 1200V/450A SiC MOSFET IPM具有导通损耗低(Ron 为 3.25mΩ)、开关损耗低(7.8mJ开启和8mJ关断)等特点(在 600V/300A 时,参见表 1)。相对于最新的 IGBT 电源模块,其损耗至少降低了三分之二。新模块通过轻巧的AlSiC针翅底板进行水冷,结至流体的热阻为0.15℃ /W。该智能功率模块的额定结温高达 175℃,可以承受高达3600V(50Hz,1min)的隔离电压。
表 1:CXT-PLA3SA12450AA 的主要特性
热稳定性和安全的工作区域
该智能功率模块是为高热环境的稳定性应用而设计的,额定的最高结温为175℃。栅极驱动器本身具备在最高环境工作温度为125℃的情况下、长时间工作的增强的耐热能力。 如前所述,该智能功率模块通过轻巧的 AlSiC 针翅底板冷却,每相的结至流体热阻为0.15℃ /W,当流速为10L/Min(推荐的冷却液为50%乙二醇,50%水),允许的流体最高流入端温度可达75℃。 最大连续漏极电流(Id)与 CXT-PLA3SA12450AA 的外壳温度之间的关系(根据最大 Tj时的导通电阻,热阻和最大工作结温计算)如图2所示。最大连续漏极电流(Id)被视为比较功率模块的额定功率的标 准参数,而品质因数(FoM,Figure of Merit)则揭示了 RMS 相电流与开关频率的关系,如图3所示;该曲线是针对600V的DC总线电压、90℃的外壳温度、175℃的结温和50%占空比计算的。 该FoM曲线对于了解模块的适用性更为有用。CISSOID的智能功率模块平台具有系列可扩展性,例如,从图3还可推断(虚线) 出未来的1200V/600A模块的安全工作范围。
图 2:最大连续漏极电流降额(Id)与 CXT-PLA3SA12450AA 的外壳温度之间的关系
图 3:FoM 曲线
测试条件:1200V/450A SiC 功率模块(CXTPLA3SA12450AA)的相电流(Arms)与开关频率(条件:VDC = 600V,Tc = 90℃,Tj <175℃,D = 50%),和预测未来的 1200V/600A 模块(CXT-PLA3SA12600AA,正在开发中)相比较
三相SiC栅极驱动器
CXT-PLA3SA12450AA 三相栅极驱动器的设计,源自已经得到充分测试验证的 CMT-TIT8243 [1,2] 和 CMT-TIT0697 [3] 单相栅极驱动器板,分别设计用于 62mm 1200V/300A 和快速开关XM3 1200V/450A SiC MOSFET 功率模块(请参见图4)。三相栅极驱动器经过优化,可以直接安装在 CXTPLA3SA12450 功率模块的顶部,这归功于更为紧凑的变压器设计或略微调整的爬电距离设定。CXT-PLA3SA12450AA 栅极 驱动器还包括直流总线电压监视功能。 对于 CMT-TIT8243 和 CMT-TIT0697,栅极驱动器板的 最高工作环境温度为 125℃。板上所有的元器件均经过精心选择和确认,以保证在此温度下的运行。这些设计还依靠 CISSOID 的高温栅极驱动器芯片组 [4、5] 和针对低寄生电容(典型值为10pF)进行了优化的电源变压器模块,以最大程度地降低高 dv/ dt 和高工作温度下的共模反射电流。
图 4:用于快速切换XM3 1200V/450A SiC MOSFET 功率模块的 CMT-TIT0697 栅极驱动器板
CXT-PLA3SA12450AA 栅极驱动器仍有足够的余量来支持功率模块的可扩展性。该模块的总栅极电荷为910nC。在开关频率为25KHz 时,平均栅极电流等于22.75mA。这远低于板载 隔离式 DC-DC 转换器的 95mA 最大电流能力。因此,无需修改栅极驱动器板,就可以直接驱动未来栅极电流容量和栅极电荷更高、驱动功率更大的功率模块。使用并列的多栅极电阻架构,以适应实际最大 dv/dt 可在 10~20 KV/µs 的范围内(负载相关)。栅极驱动器的本身的设计,足够抵抗高达 50KV/µs 的 dv/dt(感性负载),从而在 dv/dt 鲁棒性方面提供了足够的余量。
栅极驱动器保护功能
栅极驱动器保护功能对于确保功率模块的安全运行至关重要。在驱动快速开关的SiC MOSFET时尤其如此。CXTPLA3SA12450 栅极驱动器提供以下保护功能:
√ 欠压锁定保护(UVLO):CXT-PLA3SA12450AA 栅极驱动器监视初级和次级电压,并在低于编程要求电压时自动启动保护、报告故障。
√ 防重叠保护:避免同时开启高侧和低侧功率电路,以防止半桥短路。
√ 防止次级短路:隔离的DC-DC转换器可以逐周期地进行电流限制,从而防止栅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 信号上的毛刺,这些毛刺经常是由于共模电流引起的。
√ 有源米勒钳位(AMC):关断后实现负栅极电阻的旁路,以保护功率MOSFET免受寄生反射的影响。
√ 去饱和检测:在打开时,在消隐时间之后检查功率 MOSFET 漏源电压是否低于阈值。
√ 软关断:在出现故障的情况下,将缓慢关闭功率晶体管,以最大程度地降低由于高 di/dt 而引起的过冲。
本文提出了一种新型的三相 1200V/450A SiC MOSFET 智能功率模块,这个新的、可扩展的平台系列,优化了功率模块的电气、机械和散热设计及其控制驱动,将有助于所有希望采用 SiC 功率器件以提高驱动效率、减低电机驱动尺寸和重量的电动汽车OEM和电机制造商,极大地帮助其缩短产品的上市时间。
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