搭载全SiC IPM的电机驱动评估板

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《搭载全SiC IPM的电机驱动评估板》

《全新1200V SiC MOSFET智能功率模块》

本文介绍了最新最小巧的1200V碳化硅（SiC）智能功率模块（IPM），它适用于变速驱动应用，如暖通空调设备（HVAC）中的有源谐波滤波器和高性能电机驱动装置。这款IPM集成了6颗SiC MOSFET，搭载一个经优化的单芯片6通道绝缘体上硅（SOI）栅极驱动器，采用双列直插（DIP）封装和覆铜（DBC）基板。本文阐述了这个模块的电气特性、封装和散热性能。

为了保护环境，降低功耗已成为全球面临的重大挑战，正因如此，变频器日益广泛用于各类型设备。借助变频器提高能效是重要目标。要求大电流和高功率的应用中通常使用硅（Si）IGBT，因为在大电流条件下，IGBT的饱和电压低于MOSFET。然而，IGBT在关断过程中的拖尾电流导致损耗增加，限制了其在高速开关中的应用。

本文介绍了全球首个1200V SiC MOSFET IPM——CIPOS™ Maxi IPM家族的IM828-XCC。SiC MOSFET器件是宽禁带器件，可以在很高的击穿电压实现很低的RDS(ON)。它是一种单极性器件，因而不会产生拖尾电流。[1]它可用于诸如高载频PWM变频器等应用。

这款SiC MOSFET IPM使用简便，因为其嵌入式SOI栅极驱动IC经专门优化，可减小开关振荡。此外，它采用紧凑式封装，得益于使用具备很高热导率的DBC基板，它可以实现最高8kW运行功率。

本文阐述了内置元件的特性，以及模块的电气特性、封装结构和散热性能。

概览和电路配置

图1显示了CIPOS™ Maxi IPM家族的封装外形。[2]这种封装经专门优化，适用于1200V级IPM。另外，它包含用于安装栅极驱动IC的内部PCB和高热导率DBC。图2所示为SiC MOSFET IPM的内部框图。它采用三相变频器结构，含有6颗1200V 45mΩ SiC MOSFET，以及一个单芯片6通道SOI栅极驱动IC和热敏电阻。特别是这个栅极驱动IC及其集成式自举电路和其他保护功能，为实现微型化铺平了道路。

图1：IM828-XCC封装概览

（尺寸：36mmx22.7mmx3.1mm）

图2：IM828-XCC框图

电气特性

1、CoolSiC™ MOSFET的静态特性

英飞凌科技发布了名为CoolSiC™ MOSFET的1200V沟槽型SiC MOSFET。图3(a)所示为这颗45mΩ CoolSiC™ MOSFET在栅极-源极电压（VGS）为15V时的静态电压-电流特性。

[3]SiC器件的击穿电场强度是Si器件的10倍；可以在很薄的漂移区内实现很高击穿电压。在室温条件下，当漏极电流为20A、VGS为15V时，这颗CoolSiC™ MOSFET的RDS(ON)典型值为45mΩ。同Si MOSFET一样，CoolSiC™ MOSFET也有一个寄生体二极管。

CoolSiC™ MOSFET的体二极管可以被用作续流二极管。然而，由于SiC器件的宽禁带为3电子伏（eV），高于Si器件，因此，其体二极管具备较高正向电压（VF）。图3(b)显示了体二极管的正向电压特性。当MOSFET的栅极与源极之间产生通道时，体二极管的VF大幅下降。[4]这样一来，在体二极管处于导通状态时接通MOSFET（同步整流）可以降低导通损耗。特别是，就变频驱动器而言，体二极管VF问题不大，因为开关器件的栅极电压往往要在死区时间结束后才会接通。

图3：CoolSiC™ MOSFET静态特性

在150°C结温、DC link电压800V、偏置电源电压15V条件下，短路耐受能力可保证达到最长3µs。

2、开关特性

图4显示了IM828-XCC（即CIPOS™ Maxi SiC MOSFET IPM）和常规50A级Si-IGBT IPM的接通开关波形。SiC器件的反向恢复损耗显著低于Si器件。[5] 此外，相比于Si IGBT，SiC MOSFET在关断时不会产生拖尾电流，如图5所示。因此，它可以降低开关损耗，实现高开关频率运行。不仅如此，通过优化栅极驱动器设计，最大限度地减小了接通和关断过程中的开关振荡。这些特性提高了EMI（电磁干扰）防护性能。

图4：50A接通波形

（左图：IM828-XCC，右图：常规50A Si-IGBT IPM）

图5：50A关断波形

（左图：IM828-XCC，右图：常规50A Si-IGBT IPM）

3、栅极驱动IC

IM828-XCC搭载的单芯片6通道栅极驱动IC可以利用与Si IPM相同的栅极电源来驱动SiC MOSFET，而不需要负偏压。除此之外，这个栅极IC经优化，可以降低SiC MOSET开关运行过程中的寄生振荡。这不仅适用于相对低频开关的逆变器驱动，也适用于数十千赫的高频开关。

这个驱动IC采用SOI结构，有助于1200V IPM实现更好的集成、可靠性和性能。它从结构上避免了相邻器件之间产生泄漏电流或闩锁电流。它还可防止在高dv/dt开关和高温浪涌情况下发生闩锁效应。[6]为了防止击穿，这个栅极驱动IC的内置死区时间为最小300ns。另外，当发生故障时，即，在欠压或过流保护模式下，这个驱动器的所有输出端均关闭。RFE引脚具备“使能”功能和故障清除时间。内置故障切除时间为最短160μs，可以通过外接上拉电阻和电容RC电路轻松进行控制，如图6所示。此外，它还具备集成式自举电路。

针对高边和低边SiC MOSFET驱动，单独对灌电流和拉电流进行了优化，不会引起任何故障，如CdV/dt效应或死区时间造成的直通电流。

图6：可调故障清除时间

封装

IM828-XCC设计采用DIP 36X23D封装，这是一种紧凑型封装（尺寸为36mmx22.7mmx3.1mm），无虚设引脚，优化了内置PCB和DBC结构，如图1所示。内置PCB上安装了栅极驱动IC和热敏电阻。6颗1200V SiC MOSFET安装在DBC上，可实现高效散热。CIPOS™ Maxi IPM具备单独的VTH引脚，连接至封装内部的热敏电阻，提供了温度监测功能。此外，它设计采用转模技术封装，可满足所有国际行业标准，如电气间隙和爬电距离。图7显示了引脚与引脚之间以及引脚与DBC之间的电气绝缘距离。

图7：电气间隙和爬电距离

性能

较之于当前的Si IPM，IM828-XCC可实现优化运行，如短死区时间、最小输入脉冲宽度和高载频PWM等。推荐最短死区时间为0.5µs，最小脉冲宽度为1µs。在VDD=15V条件下，PWM载频最高可达50kHz。

1、仿真

图8显示了IM828-XCC和常规50A Si-IGBT IPM的仿真结果。IM828-XCC的开关损耗大大低于Si-IGBT IPM，如图8 (a)所示。因此，开关速度越快，IM828-XCC的性能越出色。特别是当开关频率为30kHz时，Si-IGBT IPM的效率仅为不足94%，而IM828-XCC的效率则高达98%，如图8 (b)所示。

(a) IPM总损耗

(b) 能效

图8：IM828-XCC和常规50A Si-IGBT IPM的性能仿真结果

（左图：5kHz，右图：30kHz）

2、散热性能

图9显示了SiC MOSFET IPM应用测试板和散热片，可用于比较三相变频器系统驱动过程中的散热性能。IM828-XCC外壳温度实测数据如图10所示。图10中的点代表模块上最热的点。为了按照开关频率来确认散热性能，执行了两次测试。测试1采用的参数是FSW=5kHz、IO(PEAK)=25A和MI=0.58。测试2采用的参数是FSW=30kHz、IO(PEAK)=7A和MI=0.64。

(a) IM828-XCC应用板

(b) 散热片

图9：测试板和散热片

图10：IM828-XCC的TC测量点

图11显示了测试1和测试2的运行波形和散热性能对比结果。尽管IM828-XCC的封装面积仅为50A Si IGBT IPM的三分之一，但SiC MOSFET IPM的性能表现好得多，如图11(b)所示。在测试1中，测得SiC MOSFET IPM和Si IGBT IPM的ΔTC-A（壳对空气温度) 分别为28.3°C和41.6°C。特别是在较高开关频率30kHz条件下，Si IGBT IPM的 ΔTC-A为65.5°C，是SiC MOSFET IPM的4倍，后者仅为15.7°C。测试结果表明，相比于Si-IGBT IPM，IM828-XCC的开关速度更快，损耗更低。

(a) 变频器运行波形

(b) 散热性能对比结果

图11：应用测试结果

结语

本文介绍了全新CIPOS™ Maxi IPM（IM828-XCC）。它是全球首款1200V级SiC MOSFET IPM，集成了6颗45mΩ CoolSiC™ MOSFET和一个单芯片6通道栅极驱动IC，采用经专门优化的小型封装。较之于当前的Si IPM，这个SiC MOSFET IPM有效降低了IPM损耗，同时也提升了效率。不论是一般电机驱动应用，还是诸如有源谐波滤波器等高开关频率应用，IM828-XCC都是最优解决方案。

参考文献

1] N Kaminski: State of the art and the future of wide band-gap devices, 13th ECPCA 2009

[2] M Lee, M Baek, J Lee, D Chung: A New Smallest 1200V Intelligent Power Module for Three Phase Motor Drives, IPEC-Niigata 2018, DOI 10.23919/IPEC.2018.8507961

[3] D Peters, T Basler, B Zippelius, T Aichinger, W Bergner, R Esteve, D Kueck, R Siemieniec: The New CoolSiC™ Trench MOSFET Technology for Low Gate Oxide Stress and High Performance, PCIM Europe 2017

[4] K Peng, S Eskandari, E Santi: Characterization and modeling of SiC MOSFET body diode, APEC 2016, DOI 10.1109/APEC.2016.7468161

[5] D Heer, D Domes, D Peters: Switching performance of a 1200 V SiC-Trench-MOSFET in a low-power module, PCIM Europe 2016

[6] R. Keggenhoff, Z.Liang, A. Arens, P. Kanschat, R. Rudolf. “Novel SOI Driver for Low Power Drive Applications”, Power Systems Design Europe, Nov. 2005