越來越多的優越電動汽車制造商正在將碳化硅（SiC MOSFET ）功率場效應管 用于牽引逆變器，其中有些還采用了非傳統的分立器件封裝。但是，目前很難找到針對電動機驅動而優化的SiC功率模塊來適配不同的應用。更進一步，將快速開關的SiC功率模塊與柵極驅動器、去耦及水冷等整合為驅動總成，還要面對一些新的挑戰。因此，經過完全優化和高度集成的智能功率模塊解決方案，可以為客戶節省大量的開發時間和工程資源。

本文介紹了一種用于電動汽車電機驅動、或電力逆變器的新型三相1200V SiC MOSFET 智能功率模塊（IPM）。該IPM提供了一種多合一的解決方案，含有柵極驅動器和三相全橋 SiC MOSFET 功率電路，可用于水冷功率系統。本文簡要介紹了該功率模塊的關鍵電氣和熱特性，討論了其**操作區域；*后，說明了柵極驅動器的關鍵特性， 及其**可靠的驅動SiC MOSFET的綜合能力。

圖 1：CXT-PLA3SA12450AA 三相全橋 1200V/450A SiC

MOSFET 智能功率模塊

三相全橋水冷SiC MOSFET 智能功率模塊CXT-PLA3SA12450AA是一個可擴展平臺系列的靠前產品，該三相 1200V/450A SiC MOSFET IPM 具有導通損耗低（Ron為 3.25mΩ）、開關損耗低（7.8mJ 開啟和 8mJ 關斷）等特點（在600V/300A 時，參見表 1）。相對于*新的IGBT電源模塊 ，其損耗至少降低了三分之二。新模塊通過輕巧的AlSiC針翅底板進行水冷，結至流體的熱阻為 0.15℃/W。該智能功率模塊的額定結溫高達175℃，可以承受高達 3600V（50Hz，1min）的隔離電壓。

表 1：CXT-PLA3SA12450AA 的主要特性

熱穩定性和**的工作區域

該智能功率模塊是為高熱環境的穩定性應用而設計的，額定的*高結溫為 175℃。柵極驅動器本身具備在*高環境工作溫度為125℃的情況下、長時間工作的增強的耐熱能力。如前所述，該智能功率模塊通過輕巧的 AlSiC 針翅底板冷卻，每相的結至流體熱阻為 0.15℃ /W，當流速為10L/Min（推薦的冷卻液 為50％乙二醇，50％水），允許的流體*高流入端溫度可達75℃。

*大連續漏極電流 （Id）與 CXT-PLA3SA12450AA 的外殼溫度之間的關系（根據*大Tj時的導通電阻，熱阻和*大工作結溫計算）如圖2所示。

*大連續漏極電流（Id）被視為比較功率模塊的額定功率的標 準參數，而品質因數（FoM，Figure of Merit）則揭示了RMS相電流與開關頻率的關系，如圖 3 所示；該曲線是針對 600V 的 DC總線電壓、90℃的外殼溫度、175℃的結溫和 50％占空比計算的。

該 FoM 曲線對于了解模塊的適用性更為有用。CISSOID 的智能功率模塊平臺具有系列可擴展性，例如，從圖3還可推斷（虛線）出未來的 1200V/600A 模塊的**工作范圍。

圖 2：*大連續漏極電流降額（Id）與 CXT-PLA3SA12450AA的外殼溫度之間的關系 。

圖 3：FoM 曲線， 1200V/450A SiC 功率模塊（CXTPLA3SA12450AA）的相電流（Arm s）與開關頻率（條件：VDC= 600V，Tc = 90℃，Tj 《175℃，D = 50％），和預測未來的1200V/600A 模塊（CXT-PLA3SA12600AA，正在開發中）相比較

三相SiC柵極驅動器

CXT-PLA3SA12450AA 三相柵極驅動器的設計，源自已經得到充分測試驗證的 CMT-TI T8243和 CMT-TI T0697單相柵極驅動器板，分別設計用于62mm 1200V/300A 和快速開關 XM3 1200V/450A SiC MOSFET 功率模塊（請參見圖4）。三相柵極驅動器經過優化，可以直接安裝在 CXTPLA3SA12450 功率模塊的頂部，這歸功于更為緊湊的變壓器設計或略微調整的爬電距離設定。CXT-PLA3SA12450AA 柵極驅動器還包括直流總線電壓監視功能。

對于 CMT-TI T8243 和 CMT-TI T0697，柵極驅動器板的*高工作環境溫度為 125℃。板上所有的元器件 均經過精心選擇和確認，以保證在此溫度下的運行。這些設計還依靠 CISSOID的高溫柵極驅動器芯片組和針對低寄生電容（典型值為10pF）進行了優化的電源變壓器模塊，以*大程度地降低高 dv/dt 和高工作溫度下的共模反射電流。

圖 4：用于快速切換 XM3 1200V/450A SiC MOSFET 功率模塊的 CMT-TI T0697 柵極驅動器板

CXT-PLA3SA12450AA 柵極驅動器仍有足夠的余量來支持功率模塊的可擴展性。該模塊的總柵極電荷為 910nC。在開關頻率為 25KHz 時，平均柵極電流等于 22.75mA。這遠低于板載隔離式 DC-DC 轉換器的 95mA *大電流能力。因此，無需修改柵極驅動器板，就可以直接驅動未來柵極電流容量和柵極電荷更高、驅動功率更大的功率模塊。

使用并列的多柵極電阻架構，以適應實際*大 dv/dt 可在10~20 KV/μs 的范圍內（負載相關）。柵極驅動器的本身的設計，足夠抵抗高達 50KV/μs 的 dv/dt（感性負載），從而在 dv/dt 魯棒性方面提供了足夠的余量。

柵極驅動器保護功能

柵極驅動器保護功能對于確保功率模塊的**運行至關重 要。在 驅 動 快 速 開 關 的 SiC MOSFET 時 尤 其 如 此。CXTPLA3SA12450 柵極驅動器提供以下保護功能：

• 欠壓鎖 定保護（UV LO）：CXT-PLA3SA12450AA 柵極驅動器監視初級和次級電壓，并在低于編程要求電壓時自動啟動保護、報告故障。

• 防重疊保護：避免同時開啟高側和低側功率電路，以防止半橋 短路 。

• 防止次級短路：隔離的 DC-DC 轉換器可以逐周期地進行電流 限制，從而防止柵極驅動器發生任何短路（例如，柵極 - 源極 短路）。

• 毛刺濾波器 ：抑制輸入 PWM 信號上的毛刺，這些毛刺經常是 由于共模電流引起的。

• 有源米勒鉗位（AMC）：關斷后實現負柵極電阻的旁路，以保 護功率 MOSFET 免受寄生反射的影響。

• 去飽和檢測：在打開時，在消隱時間之后檢查功率 MOSFET 漏源電壓是否低于閾值。

• 軟關斷：在出現故障的情況下，將緩慢關閉功率晶體管 ，以* 大程度地降低由于高 di/dt 而引起的過沖。

結論

本文提出了一種新型的三相 1200V/450A SiC MOSFET 智能 功率模塊。這個新的、可擴展的平臺系列，優化了功率模塊的電氣、機械和散熱設計及其控制驅動，將有助于所有希望采用SiC功率器 件以提高驅動效率、減低電機驅動尺寸和重量的電動汽車OEM和電機制造商，極大地幫助其縮短產品的上市時間。