基于SiC的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高功率密度

作者：Maurizio Di Paolo Emilio

CISSOID宣布了專門為降低開關(guān)損耗或提高功率而量身定制的新型液冷模塊，屬于其三相碳化硅（SiC）MOSFET智能功率模塊（IPM）產(chǎn)品系列。在接受CISSOID首席技術(shù)官Pierre Delatte的采訪時(shí)，有人指出，新模塊基于用于液體冷卻的輕質(zhì)銷形翅片基板或基于平坦基板，以滿足航空和航天領(lǐng)域?qū)ψ匀粚?duì)流或強(qiáng)制冷卻的需求。在專用工業(yè)應(yīng)用中具有集成的三相SiC MOSFET器件。

“在航空航天領(lǐng)域，除了用于與飛機(jī)電氣化相關(guān)的用于機(jī)電致動(dòng)器的傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器或用于機(jī)載能量產(chǎn)生的功率轉(zhuǎn)換器外，CISSOID還參與了一些有趣的項(xiàng)目，這些項(xiàng)目涉及電氣制動(dòng)和高速電動(dòng)機(jī)的新概念。在電動(dòng)汽車應(yīng)用中，我們的碳化硅（SiC）智能功率模塊旨在用于SiC技術(shù)將在其中發(fā)揮重要作用的高壓牽引逆變器?！?/p>

電動(dòng)汽車和航空航天用SiC

作為寬帶隙半導(dǎo)體，碳化硅具有比硅更大的帶隙能量（3.2eV，大約是硅的三倍，等于1.1eV）。因?yàn)樾枰嗟哪芰縼?lái)激發(fā)半導(dǎo)體的導(dǎo)電帶中的價(jià)電子，所以可以獲得更高的擊穿電壓，更高的效率以及在高溫下更好的熱穩(wěn)定性。SiC MOSFET的主要優(yōu)點(diǎn)是低的漏源導(dǎo)通電阻（RDS（ON）），比相同擊穿電壓下的硅器件低300-400倍。因此，基于SiC的功率器件能夠提供更高的功率水平，從而最大程度地降低功率損耗，同時(shí)提高效率并減少組件占位面積。

“今天，對(duì)SiC功率器件的需求旺盛，這推動(dòng)了價(jià)格和交貨時(shí)間的增加。自從特斯拉在其主逆變器中采用該技術(shù)以來(lái)，所有電動(dòng)汽車制造商都在朝著使用SiC電源模塊的方向邁進(jìn)。

在航空航天領(lǐng)域，采用SiC的主要?jiǎng)訖C(jī)是由于降低了冷卻需求，降低了損耗并改善了熱特性，從而為該技術(shù)節(jié)省了重量。

導(dǎo)熱率確實(shí)是一個(gè)附加的關(guān)鍵特性，表明提取半導(dǎo)體器件中功率損耗產(chǎn)生的熱量是多么容易，從而防止了器件的工作溫度危險(xiǎn)地上升。對(duì)于諸如硅之類的具有低導(dǎo)熱率的基于半導(dǎo)體的器件，要保持較低的工作溫度更加困難。為此目的，引入了一種稱為降額的特定操作模式，通過(guò)該操作模式引入了性能的部分降低，以便在高溫下不損害部件。

碳化硅設(shè)計(jì)

基于SiC的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)專注于實(shí)現(xiàn)高功率密度。集成的柵極驅(qū)動(dòng)器可防止寄生導(dǎo)通；脫飽和檢測(cè)和軟關(guān)斷（SSD）可以快速但安全地應(yīng)對(duì)短路事件。

基于針鰭底板的新型Cissoid水冷模塊的額定阻斷電壓為1200V，最大連續(xù)電流為340A至550A。導(dǎo)通電阻從2.53 mOhm到4.19 mOhm不等，具體取決于額定電流。在600V / 300A時(shí)，總開關(guān)能量低至7.48 mJ（Eon）和7.39 mJ（Eoff）。根據(jù)Pierre Delatte的說(shuō)法，“智能電源模塊（IPM）傳統(tǒng)上是指電源模塊和柵極驅(qū)動(dòng)器的集成。電源模塊和柵極驅(qū)動(dòng)器的共同設(shè)計(jì)可通過(guò)仔細(xì)調(diào)節(jié)dV / dt并控制快速切換所固有的電壓過(guò)沖來(lái)優(yōu)化IPM，從而將開關(guān)能量降至最低。柵極驅(qū)動(dòng)器的溫度魯棒性還有助于使其與通常耗散數(shù)百瓦特的功率模塊緊密集成。

通過(guò)解決驅(qū)動(dòng)快速切換SiC晶體管的挑戰(zhàn)，Pierre Delatte高度肯定了該IPM平臺(tái)使客戶能夠加快設(shè)計(jì)速度。他說(shuō)：“我們還致力于為IPM解決方案增加更多智能和新功能，以提高性能和集成度，同時(shí)簡(jiǎn)化基于SiC的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。”

圖1：帶有扁平（左）和引腳鰭（右）底板的SiC智能功率模塊

新的風(fēng)冷模塊專為無(wú)法選擇液體冷卻的應(yīng)用而設(shè)計(jì)，例如航空航天機(jī)電致動(dòng)器和功率轉(zhuǎn)換器。Pierre Delatte解釋了該IPM平臺(tái)是如何創(chuàng)建的，以加快用于電動(dòng)汽車的SiC基電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的開發(fā)，現(xiàn)已在航空航天領(lǐng)域得到推廣。

“我們已經(jīng)通過(guò)混合乙二醇（50％）和水（50％）來(lái)表征功率模塊的熱阻，乙二醇是水（50％）是電動(dòng)汽車（EV）常用的冷卻劑。人們還可以使用我們的參考冷卻器輕松地使用自己的冷卻劑測(cè)試模塊（參見圖片）。該冷卻器可以用PA12材料進(jìn)行3D打?。▓D2）。進(jìn)出的溫度和壓力通過(guò)專用傳感器測(cè)量?！?Pierre Delatte說(shuō)。

圖2：基于液體的模塊

Pierre Delatte還指出，功率密度和重量在航空航天中至關(guān)重要，這使碳化硅（SiC）技術(shù)非常有價(jià)值。SiC具有較低的開關(guān)損耗和較高的工作溫度，這將使航空航天功率轉(zhuǎn)換器更易于冷卻，更緊湊，更輕便。

“我們的SiC IPM平臺(tái)能夠在高達(dá)175°C（結(jié)溫）的環(huán)境下工作，而且柵極驅(qū)動(dòng)器板的額定工作溫度高達(dá)125°C（環(huán)境溫度），以支持高功率密度。在航空航天中，很少使用液體冷卻。因此，CISSOID提出了一種帶有扁平底板的電源模塊（見圖1），用于強(qiáng)制風(fēng)冷或自然對(duì)流。底板采用AlSiC材料，比傳統(tǒng)的銅更輕?！?Pierre Delatte總結(jié)道。

SiC的早期采用者已經(jīng)在汽車，工業(yè)，航空航天和國(guó)防領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)了收益，因?yàn)樵诟鼜V泛的應(yīng)用中采用率越來(lái)越高。成功將繼續(xù)依賴于驗(yàn)證SiC器件可靠性和耐用性的能力。當(dāng)開發(fā)人員采用總體解決方案策略時(shí)，他們將需要獲得完整和可靠的全球供應(yīng)鏈以及所有必要的設(shè)計(jì)仿真和開發(fā)工具支持的全面產(chǎn)品組合。

編輯：hfy