基于SiC的功率转换器设计实现高功率密度

作者：Maurizio Di Paolo Emilio

CISSOID宣布了专门为降低开关损耗或提高功率而量身定制的新型液冷模块，属于其三相碳化硅（SiC）MOSFET智能功率模块（IPM）产品系列。在接受CISSOID首席技术官Pierre Delatte的采访时，有人指出，新模块基于用于液体冷却的轻质销形翅片基板或基于平坦基板，以满足航空和航天领域对自然对流或强制冷却的需求。在专用工业应用中具有集成的三相SiC MOSFET器件。

“在航空航天领域，除了用于与飞机电气化相关的用于机电致动器的传统电动机驱动器或用于机载能量产生的功率转换器外，CISSOID还参与了一些有趣的项目，这些项目涉及电气制动和高速电动机的新概念。在电动汽车应用中，我们的碳化硅（SiC）智能功率模块旨在用于SiC技术将在其中发挥重要作用的高压牵引逆变器。”

电动汽车和航空航天用SiC

作为宽带隙半导体，碳化硅具有比硅更大的带隙能量（3.2eV，大约是硅的三倍，等于1.1eV）。因为需要更多的能量来激发半导体的导电带中的价电子，所以可以获得更高的击穿电压，更高的效率以及在高温下更好的热稳定性。SiC MOSFET的主要优点是低的漏源导通电阻（RDS（ON）），比相同击穿电压下的硅器件低300-400倍。因此，基于SiC的功率器件能够提供更高的功率水平，从而最大程度地降低功率损耗，同时提高效率并减少组件占位面积。

“今天，对SiC功率器件的需求旺盛，这推动了价格和交货时间的增加。自从特斯拉在其主逆变器中采用该技术以来，所有电动汽车制造商都在朝着使用SiC电源模块的方向迈进。

在航空航天领域，采用SiC的主要动机是由于降低了冷却需求，降低了损耗并改善了热特性，从而为该技术节省了重量。

导热率确实是一个附加的关键特性，表明提取半导体器件中功率损耗产生的热量是多么容易，从而防止了器件的工作温度危险地上升。对于诸如硅之类的具有低导热率的基于半导体的器件，要保持较低的工作温度更加困难。为此目的，引入了一种称为降额的特定操作模式，通过该操作模式引入了性能的部分降低，以便在高温下不损害部件。

碳化硅设计

基于SiC的功率转换器设计专注于实现高功率密度。集成的栅极驱动器可防止寄生导通；脱饱和检测和软关断（SSD）可以快速但安全地应对短路事件。

基于针鳍底板的新型Cissoid水冷模块的额定阻断电压为1200V，最大连续电流为340A至550A。导通电阻从2.53 mOhm到4.19 mOhm不等，具体取决于额定电流。在600V / 300A时，总开关能量低至7.48 mJ（Eon）和7.39 mJ（Eoff）。根据Pierre Delatte的说法，“智能电源模块（IPM）传统上是指电源模块和栅极驱动器的集成。电源模块和栅极驱动器的共同设计可通过仔细调节dV / dt并控制快速切换所固有的电压过冲来优化IPM，从而将开关能量降至最低。栅极驱动器的温度鲁棒性还有助于使其与通常耗散数百瓦特的功率模块紧密集成。

通过解决驱动快速切换SiC晶体管的挑战，Pierre Delatte高度肯定了该IPM平台使客户能够加快设计速度。他说：“我们还致力于为IPM解决方案增加更多智能和新功能，以提高性能和集成度，同时简化基于SiC的功率转换器设计。”

图1：带有扁平（左）和引脚鳍（右）底板的SiC智能功率模块

新的风冷模块专为无法选择液体冷却的应用而设计，例如航空航天机电致动器和功率转换器。Pierre Delatte解释了该IPM平台是如何创建的，以加快用于电动汽车的SiC基电机驱动器的开发，现已在航空航天领域得到推广。

“我们已经通过混合乙二醇（50％）和水（50％）来表征功率模块的热阻，乙二醇是水（50％）是电动汽车（EV）常用的冷却剂。人们还可以使用我们的参考冷却器轻松地使用自己的冷却剂测试模块（参见图片）。该冷却器可以用PA12材料进行3D打印（图2）。进出的温度和压力通过专用传感器测量。” Pierre Delatte说。

图2：基于液体的模块

Pierre Delatte还指出，功率密度和重量在航空航天中至关重要，这使碳化硅（SiC）技术非常有价值。SiC具有较低的开关损耗和较高的工作温度，这将使航空航天功率转换器更易于冷却，更紧凑，更轻便。

“我们的SiC IPM平台能够在高达175°C（结温）的环境下工作，而且栅极驱动器板的额定工作温度高达125°C（环境温度），以支持高功率密度。在航空航天中，很少使用液体冷却。因此，CISSOID提出了一种带有扁平底板的电源模块（见图1），用于强制风冷或自然对流。底板采用AlSiC材料，比传统的铜更轻。” Pierre Delatte总结道。

SiC的早期采用者已经在汽车，工业，航空航天和国防领域中实现了收益，因为在更广泛的应用中采用率越来越高。成功将继续依赖于验证SiC器件可靠性和耐用性的能力。当开发人员采用总体解决方案策略时，他们将需要获得完整和可靠的全球供应链以及所有必要的设计仿真和开发工具支持的全面产品组合。