一種新型3.6-kV/400-A SiC IPM可提升電源應用的性能

高能效對于多種大電流電源應用至關重要，包括工業(yè)電機驅(qū)動器、可再生能源系統(tǒng)和固態(tài)變壓器。盡管硅長期以來一直是這些應用中使用的主要半導體，但由于SiC提供的卓越靜態(tài)和動態(tài)性能，中壓碳化硅 MOSFET 功率模塊正成為替代當前 Si IGBT 模塊的最佳解決方案。

中壓 SiC MOSFET 和 JFET 器件已由多家供應商開發(fā)，電壓范圍從 3.3 kV 到 15 kV，以及基于單芯片技術的 3.3-kV SiC MOSFET。2本文將重點介紹基于 1.2-kV SiC MOSFET 串聯(lián)連接的 7.2-kV/60-A SiC Austin SuperMOS 開關。將推出一種新穎的 3.6-kV/400-A 半橋智能電源模塊 (IPM)，以展示 SuperMOS 概念的可擴展性。（原來的文章，可以發(fā)現(xiàn)在這里。1）

電路

半橋上下柵極驅(qū)動器由高壓隔離電源供電（如圖 1 所示），該電源基于具有 10 kV 隔離的矩陣變壓器 LLC 轉換器。3

圖 1：柵極驅(qū)動電源電路圖

半橋 IPM 包括一個 LLC 諧振轉換器和兩個整流器單元（上側和下側），它們通過兩個高頻變壓器供電，每個高頻變壓器都包含一個封閉在定制 3D 打印骨架中的環(huán)形磁芯和次級繞組纏繞在鐵芯上。高壓初級繞組采用硅橡膠為絕緣材料，達到30kV的額定隔離電壓。智能柵極驅(qū)動器采用光觸發(fā)方式，具有智能欠壓鎖定和過流和過熱保護功能。

模塊

建議的 3.6-kV/400-A 半橋電源模塊如圖 2a（分解圖）和圖 2b（原型）所示。它具有三個高功率連接（V DC+、V DC–和 SW 節(jié)點）和四個光纖連接，用于兩個 PWM 輸入和兩個故障輸出。集成 12 個基于 Austin SuperMOS 配置的 1,200-V SiC MOSFET，4該模塊使用專用 PCB 來創(chuàng)建低電感電源回路，并具有內(nèi)部去耦電容器和 SuperMOS 電壓平衡電路。功率回路結構設計有磁通抵消效果，以實現(xiàn)低寄生電感。分立的 SiC MOSFET 襯底是用 1 毫米厚的氮化鋁 (AIN) 直接鍵合銅實現(xiàn)的，從而提高了散熱和絕緣電壓。

圖 2：開發(fā)的 3.6-kV/400-A SiC IPM

通過添加一些外部直流電容器，IPM 可以很容易地與數(shù)字控制器連接，形成一個三相系統(tǒng)，如圖 3 所示。

圖 3：基于 3.6-kV/400-A IPM 的三相系統(tǒng)

IPM 內(nèi)部布局如圖 4 所示。上下器件均包含 SuperMOS 的四個分支，每個分支都包含三個 1.2-kV SiC MOSFET。

圖 4：IPM 主電路圖

圖 5 顯示了單個分支的詳細視圖。 R1–R3 是實現(xiàn)靜態(tài)電壓平衡所需的 1-MΩ 電阻器，而 C1–C3 用于動態(tài)電壓平衡并作為導通門電路的一部分用于上部開關 Q2-Q3。Rg2-Rg3 電阻用于限制開關期間柵極支路的充電和放電電流，而 Dz2-Dz3 是齊納二極管，用于鉗位 Q2-Q3 的柵極電壓。最后，D1–D2 是 1-kV 雪崩二極管，用于鉗位電壓并在開啟期間增強柵極驅(qū)動器性能。

圖5：一支路電流回路及電流路徑PCB設計

當正柵極信號施加到其柵極時，Q1 導通。隨著 Q2 的柵源電壓 (V GS ) 變?yōu)檎担渎┰措妷?(V DS ) 趨于下降，從而降低了 Q2 源極的電位。達到閾值電壓 (V TH ) 后，Q2 開始導通，其 V DS隨后開始下降，從而導通 Q3。要關閉模塊，應向 Q1 的柵極施加負柵極驅(qū)動器信號，將其關閉。它的 V DS開始增加，導致負的 V GS被施加到 Q2。當 Q2 的 V GS達到其閾值電壓時，它關斷，其 V DS開始增加，導致 Q3 關斷。

為了減少內(nèi)部電壓過沖，需要具有極低雜散電感的電源回路。為了實現(xiàn)超低雜散電感，應用了電流的磁抵消效應。Q3D 仿真表明環(huán)路電感等于 35 nH，包括 PCB 和分立 SiC MOSFET 的電感。通過用裸片芯片代替分立的 MOSFET，可以進一步降低電感。

績效衡量

所有性能測量均在室溫下進行。圖 6 顯示了作為外加電壓函數(shù)的泄漏電流。在 3 kV 時，其下（低側）和上（高側）開關的值為 4 mA，主要是由于靜態(tài)平衡電阻器。然而，它的值可以通過使用更大的電阻來降低。圖 7 顯示了在 V GS = 20 V 時測量和計算的正向傳導特性。在室溫下，IPM 計算出的導通電阻為 16.75 mΩ。