高能效對(duì)于多種大電流電源應(yīng)用至關(guān)重要，包括工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、可再生能源系統(tǒng)和固態(tài)變壓器。盡管硅長(zhǎng)期以來(lái)一直是這些應(yīng)用中使用的主要半導(dǎo)體，但由于SiC提供的卓越靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，中壓碳化硅 MOSFET 功率模塊正成為替代當(dāng)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(yīng)商開(kāi)發(fā)，電壓范圍從 3.3 kV 到 15 kV，以及基于單芯片技術(shù)的 3.3-kV SiC MOSFET。2本文將重點(diǎn)介紹基于 1.2-kV SiC MOSFET 串聯(lián)連接的 7.2-kV/60-A SiC Austin SuperMOS 開(kāi)關(guān)。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(kuò)展性。（原來(lái)的文章，可以發(fā)現(xiàn)在這里。1）

電路

半橋上下柵極驅(qū)動(dòng)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(zhuǎn)換器。3

圖 1：柵極驅(qū)動(dòng)電源電路圖

半橋 IPM 包括一個(gè) LLC 諧振轉(zhuǎn)換器和兩個(gè)整流器單元（上側(cè)和下側(cè)），它們通過(guò)兩個(gè)高頻變壓器供電，每個(gè)高頻變壓器都包含一個(gè)封閉在定制 3D 打印骨架中的環(huán)形磁芯和次級(jí)繞組纏繞在鐵芯上。高壓初級(jí)繞組采用硅橡膠為絕緣材料，達(dá)到30kV的額定隔離電壓。智能柵極驅(qū)動(dòng)器采用光觸發(fā)方式，具有智能欠壓鎖定和過(guò)流和過(guò)熱保護(hù)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(gè)高功率連接（V DC+、V DC–和 SW 節(jié)點(diǎn)）和四個(gè)光纖連接，用于兩個(gè) PWM 輸入和兩個(gè)故障輸出。集成 12 個(gè)基于 Austin SuperMOS 配置的 1,200-V SiC MOSFET，4該模塊使用專(zhuān)用 PCB 來(lái)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有磁通抵消效果，以實(shí)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(shí)現(xiàn)的，從而提高了散熱和絕緣電壓。

圖 2：開(kāi)發(fā)的 3.6-kV/400-A SiC IPM

通過(guò)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(gè)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(gè)分支，每個(gè)分支都包含三個(gè) 1.2-kV SiC MOSFET。

圖 4：IPM 主電路圖

圖 5 顯示了單個(gè)分支的詳細(xì)視圖。 R1–R3 是實(shí)現(xiàn)靜態(tài)電壓平衡所需的 1-MΩ 電阻器，而 C1–C3 用于動(dòng)態(tài)電壓平衡并作為導(dǎo)通門(mén)電路的一部分用于上部開(kāi)關(guān) Q2-Q3。Rg2-Rg3 電阻用于限制開(kāi)關(guān)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(kāi)啟期間增強(qiáng)柵極驅(qū)動(dòng)器性能。

圖5：一支路電流回路及電流路徑PCB設(shè)計(jì)

當(dāng)正柵極信號(hào)施加到其柵極時(shí)，Q1 導(dǎo)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(dá)到閾值電壓 (V TH ) 后，Q2 開(kāi)始導(dǎo)通，其 V DS隨后開(kāi)始下降，從而導(dǎo)通 Q3。要關(guān)閉模塊，應(yīng)向 Q1 的柵極施加負(fù)柵極驅(qū)動(dòng)器信號(hào)，將其關(guān)閉。它的 V DS開(kāi)始增加，導(dǎo)致負(fù)的 V GS被施加到 Q2。當(dāng) Q2 的 V GS達(dá)到其閾值電壓時(shí)，它關(guān)斷，其 V DS開(kāi)始增加，導(dǎo)致 Q3 關(guān)斷。

為了減少內(nèi)部電壓過(guò)沖，需要具有極低雜散電感的電源回路。為了實(shí)現(xiàn)超低雜散電感，應(yīng)用了電流的磁抵消效應(yīng)。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(guò)用裸片芯片代替分立的 MOSFET，可以進(jìn)一步降低電感。

績(jī)效衡量

所有性能測(cè)量均在室溫下進(jìn)行。圖 6 顯示了作為外加電壓函數(shù)的泄漏電流。在 3 kV 時(shí)，其下（低側(cè)）和上（高側(cè)）開(kāi)關(guān)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(guò)使用更大的電阻來(lái)降低。圖 7 顯示了在 V GS = 20 V 時(shí)測(cè)量和計(jì)算的正向傳導(dǎo)特性。在室溫下，IPM 計(jì)算出的導(dǎo)通電阻為 16.75 mΩ。

圖 6：室溫下的漏電流

圖 7：室溫下的正向傳導(dǎo)特性

關(guān)于動(dòng)態(tài)性能，它已在室溫下使用雙脈沖測(cè)試儀進(jìn)行表征。開(kāi)通和關(guān)斷波形，以及 2-kV/100-A 開(kāi)關(guān)期間的動(dòng)態(tài)性能，如圖 8 所示。

圖 8：2 kV/100 A 時(shí)的開(kāi)啟/關(guān)閉和動(dòng)態(tài)電壓平衡波形

分別在 2 kV/200 A 和 2 kV/380 A 下的關(guān)斷波形如圖 9 所示。 SiC MOSFET 在開(kāi)關(guān)瞬態(tài)期間漏源電壓的變化率 (dV/dt) 為 30.7分別為 kV/s 和 38.9 kV/s。

圖 9：2 kV/200 A 和 2 kV/380 A 下的關(guān)斷波形

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了 IPM 獲得的優(yōu)異的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。如圖 8 和圖 9 所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)該模塊實(shí)現(xiàn)了降低的電壓過(guò)沖，也證實(shí)了 IPM 在開(kāi)啟和關(guān)閉瞬態(tài)時(shí)很好地實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)電壓平衡。

　　審核編輯：湯梓紅