基于电动汽车电机驱动的功率模块

　　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。

　　本文介绍了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。本文简要介绍了该功率模块的关键电气和热特性，讨论了其安全操作区域；最后，说明了栅极驱动器的关键特性， 及其安全可靠的驱动 SiC MOSFET 的综合能力。

　　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， 1200V/450A SiC 功率模块（CXTPLA3SA12450AA）的相电流（Arm s）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-TI T8243 和 CMT-TI T0697 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-TI T8243 和 CMT-TI T0697，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-TI T0697 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/?s 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/?s 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（UV LO）：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。