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。
作者：Pierre Delatte ，CISSOID首席技术官
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。
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
|
参数 |
测试条件 |
典型值 |
最大值 |
|
漏源电压Vds |
|
|
1200V |
|
连续漏极电流Id |
VGS =15V，TC=25°C，Tj<175°C |
|
450A |
|
VGS =15V，TC=90°C，Tj<175°C |
|
330A |
|
|
静态导通电阻 |
VGS =15V，ID=300A，Tj=25°C |
3.25mOhms |
4mOhms |
|
VGS =15V，ID=300A，Tj=175°C |
5.25mOhms |
|
|
|
开关损耗（导通）Eon |
VDS=600V；VGS= -3/15V； IDS = 300A；L = 50µH |
7.8mJ |
|
|
开关损耗（关断）Eoff |
8mJ |
|
|
|
隔离电压 Viso |
50HZ、1分钟的交流耐压测试，底板到电源引脚之间 |
|
3600VAC |
|
热阻（结-流体）Rjl |
每个开关位置都测试，流量：10L/min；50%乙二醇，50%水，流入端温度75°C |
0.15°C/W |
|
|
热阻（结-外壳）Rjc |
每个开关位置都测试 |
0.13°C/W |
|
|
工作结温 Tj |
|
|
175°C |
|
底板尺寸 |
|
104mm（宽） 154mm（长） |
|
|
重量 |
|
580g |
|
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。
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。
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）。
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。
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/µs 。门极驱动电路的设计可以抵抗高达 50KV/µs 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.
-
微信扫一扫
一键转发 -
最前沿的电子设计资讯
请关注“电子技术设计微信公众号”
- 电池管理系统创新如何提高电动汽车采用率 要在未来实现全电动化，需要进行电动动力总成系统创新，其中包括BMS、车载充电器和直流/直流转换器以及牵引逆变器。这些系统的核心是使电气化成为可能的半导体元件。
- 晶圆厂联手封测厂，为供应链赋予新意 在半导体产业日益关注封装技术创新，以超越芯片微缩的困境之际，晶圆厂联手封测厂的合作伙伴关系将支撑起下一代封装技术，并彰显封装技术在半导体供应链的重要意义...
- IEC 61000-4-3标准的步进频率 本文重点在于讨论如何使用更简略的步骤进行IEC 61000-4-3标准的EMI/EMC测试，以加快产品开发时间...
- 瑞萨电子推出包括汽车级在内的10款全新成功产品组合 这些经过全面测试的解决方案展示了瑞萨的相关产品组合的强大实力，包含电动汽车充电、汽车仪表盘控制和其它应用
- 用于GaN HEMT的超快速分立式短路保护 GaN HEMT的保护电路必须比硅基MOSFET中使用的传统短路和过流保护方法更快。
- 【电驱变革深探】： 从测试角度看800V超充技术下的电驱 市场调研数据显示，超过80%的用户对电动汽车的充电速度和续航里程表示不满，虽然新能源汽车市场在近几年飞速变化，但距离满足消费者心理预期的更高使用需求，尚有较大提升空间。预测数据显示，到2025年，800V SiC的市场占比将达到15%左右；不过在电动汽车全球发展提速的大趋势下，这一预测节点也许会提前到来。
- 等离子体抛光干式蚀刻为下一代SiC带来质量优势 尽管化学机械抛光(CMP)有一段时期一直是最常用的基板抛光技术，但随着一种新引进的技术——等离子体抛光干式蚀刻(PPDE)被提出，可望克服CMP带来的一些限制。
- 东芝新款车载直流无刷电机栅极驱动IC有助于提升车辆电 2023年2月28日——东芝电子元件及存储装置株式会社（“东芝”）今日宣布推出车载直流无刷电机栅极驱动IC[1]---“TB9083FTG”，该IC适用于电动转向助力系统（EPS）、电动制动系统和线控换档系统等应用。产品于今日开始批量出货。
- 如何安全实现车载网络通信？ 尽管汽车盗窃仍是一个合理的担忧，但与内部电子控制单元及其车内外通信相关的安全威胁明显更大。
- 推动增强现实抬头显示（AR-HUD）的未来发展 随着汽车的电气化和连接程度越来越高，抬头显示（HUD）的未来正在迅速改变。特别是，增强现实AR-HUD首次成为智能驾驶舱设计的核心要素，有助于通过驾驶辅助和安全功能提升整体驾驶体验。设计下一代AR-HUD时，需要牢记几项技术要点。
- Arteris FlexNoC 5物理感知NoC IP，物理融合速度快5倍 据Arteris官网消息，系统IP供应商Arteris宣布推出物理感知片上网络（NoC）互连IP Arteris FlexNoC 5，可使SoC架构团队、逻辑设计人员和集成商能够整合跨功率、性能和面积（PPA）的物理约束管理，以提供连接SoC的物理感知IP。该技术使物理融合速度比手动优化快5倍，且布局团队可以减少汽车、通信、消费电子、企业计算和工业应用的迭代次数。
- 【汽车创新三大驱动力】系列之一： 解决电动化和电池测 围绕电动汽车和电池的最大问题之一，是如何提高单次充电的容量和续航里程。而围绕续航能力有一些关键绩效指标，同样围绕电池的效率、加速和快速充电能力也有一些关键绩效指标。我们今天看到的趋势是锂离子电池，但在未来，我们将看到向固态的转变。这主要是由固态电池带来的重量减轻和密度增加所推动的，而重量是影响车辆续航能力的一个关键因素。
- 拆解报告：X-STATION HDMI+2A1C+SSD三合一氮化镓玲珑坞 充电头网拿到了X-STATION近期新推出的一款多功能Cyberize玲珑坞，是全球首款集充电器、拓展坞和SSD移动硬盘为
- 拆解报告：雅迪180W石墨烯铅酸电池充电器 本次拆解的是雅迪另外一款智能充电器，这款充电器同样为铅酸电池充电器，采用220V交流输入，标称输出电压为60V，输
- PICO 4 VR一体机拆解 PICO 4 VR一体机还采用了双立体声扬声器，通过声场重构技术和头部运动数据计算音效定位，实现空间音频效果。配
- 康佳智能头盔评测 康佳智能头盔以“传统头盔+智能功能”的组合方式，让用户在得到安全保护的同时，享受到更多智能服务。实际用起
- 李想两万字回应：我们如何造车？ 在造车新势力中，理想汽车的李想也是个异类——身为CEO在微博上高强度冲浪，不时与黑粉激情对线；打造产品时与行
- 全球十大动力电池企业盘点之三：三星SDI 三星SDI的电池板块2022年全年营收约970.2亿元人民币，同比增长60.5%，营业利润约69.2亿元人民币，同比+133.2%，营业
- 拆解报告：一加80W超级闪充充电器 一加推出了一款80W输出功率的超级闪充充电器，这款充电器采用白色直板机身设计，配有固定插脚。支持5V2A或5-11V
- 海尔HB-W003真无线耳机评测 外观设计上，海尔HB-W003的充电盒采用新颖的滑盖设计，比常见的产品在视觉效果上更有辨识度。配置功能上，耳机采
- AWEI用维T29 Pro真无线耳机拆解 此次将要拆解的AWEI用维T29 Pro真无线耳机充电盒配备了RGB炫彩呼吸灯，支持开盖即连，支持快速充电；耳机采用了柄
- 两万字详解自动驾驶路径规划的常用算法 自动驾驶自诞生那天起，其志向便已立下，成为熟知城市每一处道路的“老司机”，成为乘客更安全、更舒适、更高效出
- 76份射频和微波资料汇总分享 今天我们分享一下近期整理的一些射频和微波课程网址分享给大家。
- 国产激光雷达雷达的崛起之路 激光雷达会成为智能汽车上的标准配置吗？激光雷达又能给智能汽车带来什么价值？或者说，我们加1、2万块钱配个激光
- 类比发布车规级变压器原边控制器IS801Q，进一步完善锂电池管理系统 致力于提供高品质芯片的国内优秀模拟及数模混合芯片设计商上海类比半导体技术有限公司（下称“类比半导体”或
- 类比半导体发布四款生物电势测量模拟前端芯片 致力于提供高品质芯片的国内优秀模拟及数模混合芯片设计商上海类比半导体技术有限公司（下称“类比半导体”或
- 意法半导体STM32U5系列MCU上新，提高物联网和嵌入式应用性能和能效 Ajax Systems已使用 新STM32U5 MCU开发下一代无线安保和智能家居解决方案；新STM32U5系列MCU是首款获得NIST
- Vishay推出采用先进Power DFN系列DFN3820A封装的额定电流高达4 汽车级200 V、400 V和 600 V器件厚度仅为0.88 mm，采用可润湿侧翼封装，改善热性能并提高效率
- 锐成芯微推出基于BCD工艺的三层光罩eFlash IP 成都锐成芯微科技股份有限公司宣布，公司推出基于BCD工艺平台的LogicFlash Pro® eFlash IP产品，其特点是在
- 瑞萨电子推出包括汽车级在内的10款全新成功产品组合 这些经过全面测试的解决方案展示了瑞萨的相关产品组合的强大实力，包含电动汽车充电、汽车仪表盘控制和其它应
- QORVO UWB技术帮助移远通信推出具有更高定位精度和安全性的新一 Qorvo宣布，移远通信基于 Qorvo DW3300Q 平台最新推出支持超宽带连接（UWB）技术的车规级模组 AU30Q，面向新一代汽
- 比科奇在MWC 23上为全球市场带来高性能低功耗的商用5G小基站和 现场展示了近十家中外客户基于PC802 PHY SoC开发的5G/4G小基站系统
- Microchip推出新一代PoE交换机，为户外应用增加先进的网络和安全功 PDS-204GCO是广受欢迎的PDS-104GO的下一代解决方案，易于安装且环保
- Teledyne e2v发布150万像素的统包式光学模组Optimom，用于快速轻松 Teledyne Technologies 集团旗下公司 Teledyne e2v 宣布推出 Optimom™ 系列最新产品 Optimom 1.5M，这一系列
- CEVA宣布推出其迄今功能最强大、效率最高的DSP架构， 满足5G-Advan 全新CEVA-XC20延续了CEVA在数字信号处理器领域的行业领导地位。这款DSP架构采用新颖的矢量多线程计算技术，与
- 瑞萨电子推出业界首款用于动态软件开发且基于云的系统开发工具Qu Quick-Connect Studio使用户能够在硬件设计之前快速构建原型并开发量产级软件，从而缩短设计周期
