一种新型3.6-kV400-A SiC IPM可提升电源应用的性能

高能效对于多种大电流电源应用至关重要，包括工业电机驱动器、可再生能源系统和固态变压器。尽管硅长期以来一直是这些应用中使用的主要半导体，但由于SiC提供的卓越静态和动态性能，中压碳化硅 MOSFET 功率模块正成为替代当前 Si IGBT 模块的最佳解决方案。

中压 SiC MOSFET 和 JFET 器件已由多家供应商开发，电压范围从 3.3 kV 到 15 kV，以及基于单芯片技术的 3.3-kV SiC MOSFET。2本文将重点介绍基于 1.2-kV SiC MOSFET 串联连接的 7.2-kV/60-A SiC AusTIn SuperMOS 开关。将推出一种新颖的 3.6-kV/400-A 半桥智能电源模块 (IPM)，以展示 SuperMOS 概念的可扩展性。（原来的文章，可以发现在这里。1）

电路

半桥上下栅极驱动器由高压隔离电源供电（如图 1 所示），该电源基于具有 10 kV 隔离的矩阵变压器 LLC 转换器。3

图 1：栅极驱动电源电路图

半桥 IPM 包括一个 LLC 谐振转换器和两个整流器单元（上侧和下侧），它们通过两个高频变压器供电，每个高频变压器都包含一个封闭在定制 3D 打印骨架中的环形磁芯和次级绕组缠绕在铁芯上。高压初级绕组采用硅橡胶为绝缘材料，达到30kV的额定隔离电压。智能栅极驱动器采用光触发方式，具有智能欠压锁定和过流和过热保护功能。

模块

建议的 3.6-kV/400-A 半桥电源模块如图 2a（分解图）和图 2b（原型）所示。它具有三个高功率连接（V DC+、V DC–和 SW 节点）和四个光纤连接，用于两个 PWM 输入和两个故障输出。集成 12 个基于 AusTIn SuperMOS 配置的 1,200-V SiC MOSFET，4该模块使用专用 PCB 来创建低电感电源回路，并具有内部去耦电容器和 SuperMOS 电压平衡电路。功率回路结构设计有磁通抵消效果，以实现低寄生电感。分立的 SiC MOSFET 衬底是用 1 毫米厚的氮化铝 (AIN) 直接键合铜实现的，从而提高了散热和绝缘电压。

图 2：开发的 3.6-kV/400-A SiC IPM

通过添加一些外部直流电容器，IPM 可以很容易地与数字控制器连接，形成一个三相系统，如图 3 所示。

图 3：基于 3.6-kV/400-A IPM 的三相系统

IPM 内部布局如图 4 所示。上下器件均包含 SuperMOS 的四个分支，每个分支都包含三个 1.2-kV SiC MOSFET。

图 4：IPM 主电路图

图 5 显示了单个分支的详细视图。 R1–R3 是实现静态电压平衡所需的 1-MΩ 电阻器，而 C1–C3 用于动态电压平衡并作为导通门电路的一部分用于上部开关 Q2-Q3。Rg2-Rg3 电阻用于限制开关期间栅极支路的充电和放电电流，而 Dz2-Dz3 是齐纳二极管，用于钳位 Q2-Q3 的栅极电压。最后，D1–D2 是 1-kV 雪崩二极管，用于钳位电压并在开启期间增强栅极驱动器性能。

图5：一支路电流回路及电流路径PCB设计

当正栅极信号施加到其栅极时，Q1 导通。随着 Q2 的栅源电压 (V GS ) 变为正值，其漏源电压 (V DS ) 趋于下降，从而降低了 Q2 源极的电位。达到阈值电压 (V TH ) 后，Q2 开始导通，其 V DS随后开始下降，从而导通 Q3。要关闭模块，应向 Q1 的栅极施加负栅极驱动器信号，将其关闭。它的 V DS开始增加，导致负的 V GS被施加到 Q2。当 Q2 的 V GS达到其阈值电压时，它关断，其 V DS开始增加，导致 Q3 关断。

为了减少内部电压过冲，需要具有极低杂散电感的电源回路。为了实现超低杂散电感，应用了电流的磁抵消效应。Q3D 仿真表明环路电感等于 35 nH，包括 PCB 和分立 SiC MOSFET 的电感。通过用裸片芯片代替分立的 MOSFET，可以进一步降低电感。

绩效衡量

所有性能测量均在室温下进行。图 6 显示了作为外加电压函数的泄漏电流。在 3 kV 时，其下（低侧）和上（高侧）开关的值为 4 mA，主要是由于静态平衡电阻器。然而，它的值可以通过使用更大的电阻来降低。图 7 显示了在 V GS = 20 V 时测量和计算的正向传导特性。在室温下，IPM 计算出的导通电阻为 16.75 mΩ。

图 6：室温下的漏电流

图 7：室温下的正向传导特性

关于动态性能，它已在室温下使用双脉冲测试仪进行表征。开通和关断波形，以及 2-kV/100-A 开关期间的动态性能，如图 8 所示。

图 8：2 kV/100 A 时的开启/关闭和动态电压平衡波形

分别在 2 kV/200 A 和 2 kV/380 A 下的关断波形如图 9 所示。 SiC MOSFET 在开关瞬态期间漏源电压的变化率 (dV/dt) 为 30.7分别为 kV/s 和 38.9 kV/s。

图 9：2 kV/200 A 和 2 kV/380 A 下的关断波形

实验结果证实了 IPM 获得的优异的静态和动态性能。如图 8 和图 9 所示，实验结果证实该模块实现了降低的电压过冲，也证实了 IPM 在开启和关闭瞬态时很好地实现了动态电压平衡。

　　审核编辑：汤梓红