CoolSiC MOSFET 電機(jī)驅(qū)動(dòng)評(píng)估板

英飛凌科技為電機(jī)控制應(yīng)用開發(fā)了一款評(píng)估板，其中包括一個(gè)三相 SiC 模塊。特別是，它在電力驅(qū)動(dòng)器中使用了 CoolSiC MOSFET 模塊的功率。

CoolSiC MOSFET
碳化硅 (SiC) 是具有同素異形體的硅和碳的化合物。碳化硅的優(yōu)點(diǎn)包括：

帶隙為 3.3 eV，而硅為 1.2 eV；

擊穿場(chǎng)為 2.2 MV/cm，而硅為 0.3 MV/cm；

導(dǎo)熱系數(shù)為 4.9 W/cm K（硅為 1.5 W/cm K）；和

電子漂移速度為 2,107 cm/s，而硅的漂移速度為 1,107 cm/s。

由于 SiC 的擊穿場(chǎng)高出 10 倍，有源區(qū)可以做得更薄，并且可以包含更多的自由載流子。結(jié)果，電導(dǎo)率顯著更高。與雙極 IGBT 不同，SiC 的材料特性能夠設(shè)計(jì)出快速開關(guān)的單極器件?；趯拵兜墓β势骷?，例如 SiC 二極管和晶體管，是電力電子設(shè)計(jì)的既定元素。與此同時(shí)，MOSFET 被普遍接受為首選概念（圖 1）。

圖 1：寬帶隙半導(dǎo)體的應(yīng)用（圖片：英飛凌科技）

基于 SiC 材料的這些優(yōu)勢(shì)，SiC MOSFET 正在成為太陽(yáng)能逆變器和非車載電動(dòng)汽車 (EV) 充電器等大功率應(yīng)用中極具吸引力的開關(guān)晶體管。由于特定的溝槽結(jié)構(gòu)，CoolSiC MOSFET 提高了溝道遷移率并提高了柵極氧化物的可靠性。

英飛凌最近推出了 CoolSiC MOSFET 器件，完善了其 650-V/1,200-V 產(chǎn)品組合。該技術(shù)旨在補(bǔ)充這種阻斷電壓等級(jí)的 IGBT，以及成功的 CoolMOS 技術(shù)。CoolSiC MOSFET 650-V 器件的額定值為 27 mΩ 至 107 mΩ。它們采用經(jīng)典的三引腳 TO-247 封裝以及 TO-247 的四引腳版本，可實(shí)現(xiàn)更低的開關(guān)損耗。據(jù)英飛凌稱，與競(jìng)爭(zhēng)的硅和 SiC 解決方案相比，650 V 的 CoolSiC MOSFET 提供的優(yōu)勢(shì)包括更高頻率的開關(guān)效率和出色的可靠性。

由于與溫度相關(guān)的導(dǎo)通電阻 (R DS(on) ) 非常低，MOSFET 具有出色的熱性能。據(jù)稱，這些器件堅(jiān)固而穩(wěn)定的體二極管可保持極低水平的反向恢復(fù)電荷 (Qrr) — 比最好的超結(jié) CoolMOS MOSFET 低約 80%。換向魯棒性有助于輕松實(shí)現(xiàn) 98% 的整體系統(tǒng)效率——例如，通過(guò)使用連續(xù)導(dǎo)通模式圖騰柱功率因數(shù)校正 (PFC)。

圖 2：FS45MR12W1M1_B11 模塊示意圖（圖片：Infineon Technologies）

阻斷電壓為 1,200 V 的 SiC MOSFET 在太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器、不間斷電源、電池充電器和工業(yè)驅(qū)動(dòng)器等應(yīng)用中很受歡迎。FS45MR12W1M1_B11 是一款 EasyPACK 1B 1,200-V、45-mΩ 六組模塊，采用 CoolSiC MOSFET、NTC 電阻器和 PressFIT 接觸技術(shù)（圖 2）。據(jù)英飛凌稱，它采用低電感設(shè)計(jì)，可提供最高效率以減少冷卻工作。

ROHM Semiconductor 提供 SCT3105KR 1,200-V SiC MOSFET，其采用溝槽柵極結(jié)構(gòu)，針對(duì)需要高效率的服務(wù)器電源、太陽(yáng)能逆變器和 EV 充電站進(jìn)行了優(yōu)化。采用新的四引腳封裝，將電源和驅(qū)動(dòng)器源極端子分開，從而最大限度地提高高速開關(guān)性能。因此，與傳統(tǒng)的三引腳封裝 (TO-247N) 相比，總開啟和關(guān)閉損耗可減少多達(dá) 35%。

評(píng)估板
Eval-M5-E1B1245N-SiC 評(píng)估板是 iMOTION 模塊化應(yīng)用設(shè)計(jì)套件 (MADK) 平臺(tái)的一部分，設(shè)計(jì)用于一系列控制板和功率級(jí)。該板可通過(guò) iMOTION MADK-M5 32 針接口連接器連接到控制板，例如 XMC DriveCard 4400 或 XMC DriveCard 1300。

圖 3：Eval-M5-E1B1245N-SiC 評(píng)估板的框圖（圖片：英飛凌科技）

開源卡配備了允許實(shí)施控制傳感器的相位輸出分流器。它有一個(gè)三相交流連接器、一個(gè) EMI 濾波器以最大限度地減少對(duì)連接電網(wǎng)的高頻輻射、一個(gè)整流器、一個(gè)用于電機(jī)連接的三相輸出、一個(gè)提供 5 V 的輔助電源、一個(gè)集成 NTC 溫度傳感器、和碳化硅 FS45MR12W1M1_B11 六包電源模塊（圖 3-5）。

圖 4：Eval-M5-E1B1245N-SiC 板（圖片：EE Times Europe）

圖 5：帶有風(fēng)扇的評(píng)估板和散熱器（圖片：EE Times Europe）

Eval-M5-E1B1245N-SiC 框圖如圖 3所示。所有測(cè)量和控制信號(hào)都可在 32 針驅(qū)動(dòng)卡接口連接器上使用。板上還提供過(guò)熱和過(guò)流保護(hù)的硬件電路。電源區(qū)和信令區(qū)分開以避免雜項(xiàng)干擾?；窘^緣隔離信號(hào)部分。通過(guò)將當(dāng)前的 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器和輔助電源變壓器（T650、TR200、TR201）替換為具有適用于給定應(yīng)用的安全認(rèn)證的部件，隔離設(shè)計(jì)可以輕松升級(jí)為安全電氣隔離。

其他功能包括：

輸入電壓 340 至 ~480 VAC；

最大 7.5 kW 電機(jī)功率輸出；

帶 delta-sigma ADC 的隔離式電流感應(yīng)；

通過(guò) delta-sigma ADC 對(duì)直流母線電壓進(jìn)行隔離感應(yīng)；

熱敏電阻輸出；

過(guò)載和短路硬件保護(hù)；

保護(hù)期間所有六個(gè)開關(guān)都關(guān)閉；

堅(jiān)固的柵極驅(qū)動(dòng)器技術(shù)，對(duì)瞬態(tài)和負(fù)電壓具有穩(wěn)定性；

輔助 5V 電源；

與標(biāo)準(zhǔn)示波器探頭兼容的測(cè)量測(cè)試點(diǎn)；和

RoHS 合規(guī)性。

圖 6：Eval-M5-E1B1245N-SiC 的頂視圖（表 1 中的詳細(xì)信息）（圖片：英飛凌科技）

該板的尺寸為 259 × 204 × 1.6 mm，有四個(gè)電層，每層都有 35 μm 的銅。圖 6顯示了電路板的詳細(xì)信息，如表 1 所述。為了獲得輸出電流的準(zhǔn)確測(cè)量和對(duì)稱過(guò)流檢測(cè)，必須調(diào)整模擬信號(hào)的偏移電壓（圖 7）。基本電路板布局可分為四個(gè)子類別：轉(zhuǎn)換器的輸入電路、輔助電源、功率級(jí)和測(cè)量。輸入電路配有兩個(gè) NTC 電阻，用于限制浪涌電流。

表 1：圖 6 的詳細(xì)信息

圖 7：偏移調(diào)整的相關(guān)部件（圖片：英飛凌科技）

SiC 器件在電機(jī)控制和電力控制應(yīng)用中的使用代表了節(jié)能、減小解決方案尺寸、集成和可靠性方面的飛躍，尤其適用于汽車和工業(yè)自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)。Eval-M5-E1B1245N-SiC 是一款完整的評(píng)估板，包括用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的三相 SiC 功率模塊。

審核編輯 黃昊宇