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CISSOID發布最新工業和汽車級碳化硅功率模塊高溫柵極驅動器創新成果

時間:2019-07-16 15:04:56  來源:中國前沿資訊網  作者:本網采編 風痕

本網訊(本網采編 風痕 行業所需高溫半導體解決方案的領導者CISSOID今日宣布,公司將在7月17日–20日于北京舉行的“第二屆亞太碳化硅及相關材料國際會議”上,發表題為“一種用于工業和汽車級碳化硅MOSFET功率模塊的高溫柵極驅動器”的論文,并介紹公司在該領域的最新研究開發成果。CISSOID首席技術官Pierre Delatte將于19日在該會議上發表該文章。

當今,碳化硅(SiC)在汽車制造商的大力追捧下方興未艾,碳化硅技術可以提供更高的能效和增加功率密度;在工業應用方面,越來越多的人則被碳化硅技術的優點所吸引。為了充分發揮碳化硅金屬氧化物半導體場效應晶體管(SiC MOSFET)在快速開關和低損耗方面的優勢,依然需要應對兩個主要的挑戰:一是實現精心優化的低感抗負載(寄生感抗)功率模塊,二是采用強勁可靠且快速的柵極驅動器來高可靠和高能效地驅動碳化硅工作。對于SiC MOSFET驅動器,主要有以下幾個方面的要求:

◇面向高能效的快速開關能力(高dV/dt)

◇面向高功率密度的高開關頻率

◇高壓穩健性

◇運行操作安全可靠

CISSOID在論文中提出了一種新的柵極驅動板,其額定溫度為125°C(Ta),它還針對采用半橋式SiC MOSFET的 62mm功率模塊進行了優化,如圖1所示。這款采用CISSOID HADES柵極驅動器芯片組的電路板的額定溫度為175°C(Tj),并為工業應用中使用的高密度功率轉換器設計提供了散熱設計余量。基于相同的技術,目前正在為基于碳化硅的電動汽車電源逆變器開發三相柵極驅動板。

SiC MOSFET支持快速開關和低開關損耗。通過減少外部柵極電阻從而增加了峰值柵極電流和dV/dt,進一步降低了開關損耗。因此,柵極驅動器必須能夠提供高峰值柵極電流以實現高功率效率。為了限制dV/dt并避免模塊內部擾動,通常對碳化硅功率模塊進行內部阻尼抑制。CAS300M12BM2模塊的內部柵極電阻為3歐姆。當驅動電壓為+20V/-5V時,內部柵極電阻將峰值柵極電流限制在8.3A。通常建議增加最小的外部柵極電阻,例如2.5歐姆,以避免任何干擾,且將峰值電流限制在4.5A。當溫度為125°C且最大峰值柵極電流為10A時,CMT-TIT8243柵極驅動器可以以最大的dV/dt驅動1200V/300A 碳化硅功率模塊,從而使開關轉換損耗變得最小。

如果希望通過高dV/dt來減少開關損耗,則會使柵極驅動器的設計變得更具挑戰性。事實上,高dV/dt通過諸如電源變壓器和數字隔離器等隔離阻斷的寄生電容時,會產生高共模電流來干擾柵極驅動器的運行,并產生不必要的行為,如附加的開機或關機。CMT-TIT8243柵極驅動器的設計旨在提供針對高dV/dt的魯棒性:為了實現低寄生電容而對電源變壓器進行了優化,以盡量降低共模電流。高壓側驅動器和包括電源變壓器和隔離器在內的主功能側之間的總寄生電容小于10pF。CMT-TIT8243保證在dV/dt>50kv/μs下正常工作。此外CMTTIT8243柵極驅動器還具有用于輸入脈寬調制信號的RS-422差分接口,以提高功率級快速轉換期間的信號完整性。

得益于低開關轉換損耗,碳化硅晶體管能夠在處于控制下的功率器件保持冷卻的同時,實現電源轉換器的高開關頻率。這就縮減了濾波器和變壓器的尺寸,也大大減小了電源轉換器的尺寸和重量。為了保證高頻開關操作的安全,柵極驅動器的隔離DC-DC轉換器必須能夠提供足夠的平均柵極電流,其計算方法是柵極總電荷乘以開關頻率。CMT-TIT8243柵極驅動器可以為每個通道提供95mA的平均柵極電流。在800V/300A下,1200 V/300A SiC MOSFET模塊的總柵極電荷約為1µC,這意味著柵極驅動器可以在92kHz的開關頻率下工作。實際上,最大開關頻率將受到功率模塊中開關損耗的限制,而不是受到柵極驅動器的限制。

焦點圖.JPG

高溫高壓隔離柵驅動器用于 62mm SiC MOSFET電源模塊

由于工作時可承受的結溫度更高,SiC MOSFET技術也有助于實現高功率密度。隨著轉換器內部功率密度的增加,環境溫度也隨之升高。人們在努力使得電源模塊降溫的時候,他們卻往往忽視了柵極驅動器的冷卻。在不降低最大平均柵極的電流時,CMT-TIT8243的柵極驅動器的環境工作溫度為125°C,為高功率密度轉換器提供了更高的溫度余量,從而簡化了其散熱設計和機械設計。當SiC MOSFET的導通電阻隨柵極至源極電壓的降低而降低時,具有穩定和準確的正驅動電壓是非常重要的。必須處理正驅動電壓的重要變化意味著在功率轉換器的散熱和溫度控制設計中必須要有更大的余量。CMTTIT8243柵極驅動器的正驅動電壓精度高于5%,這可以簡化功率級的散熱和溫度控制設計。

碳化硅技術將高于600伏的阻斷電壓的各種最佳優勢帶給了用戶。高dI/dt比在包括電源模塊、母線和直流母線電容等電源回路中的寄生電感上產生了電壓超調。柵極驅動器也面臨這些高電壓并必須保證高隔離。CMT-TIT8243柵極驅動器具有高隔離電壓(在50赫茲/1分鐘時為3600 Vrms),可在惡劣的電壓環境下提供安全冗余,并且還設計了高隔離距離(creepace>14 mm,間隙>12 mm),以便在污染環境下安全運行:

最后但重要的是,故障保護對于快速開關碳化硅柵極驅動器至關重要,包括:

◇欠壓解鎖保護(UVLO):監控輸入主供電電壓和輔助輸出電壓,當低于程序設定閾值時報告故障。

◇反重疊:在高側和低側的脈寬調制(PWM)信號之間強制實現最小的不重疊。

◇主動米勒鉗位(AMC):在關斷后為負柵極電阻建立旁路,以保護功率場效應晶體管不受寄生性接通的影響。

◇去飽和檢測:在接通電源及消隱時間后檢查場效應晶體管是否放電,源電壓是否低于閾值。否則,很可能意味著電源子系統發生了短路,必須關閉有源晶體管。

◇軟關機:在出現故障的情況下,功率晶體管進行緩慢關閉,以將高dI/dt的超調影響降到最低。

該篇將于7月19日發表的論文的作者包括:P. Delatte R. BurbidgeN. PequignotE.VanzieleghemJ. Luo, A. Cao

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