SiC模塊開啟電機驅(qū)動器更高功率密度

SiC 模塊開啟電機驅(qū)動器更高功率密度

牽引驅(qū)動器是電動汽車（EV）幾乎所有能量的消耗源。因此，驅(qū)動系統(tǒng)必須盡可能提高效率，同時以最低重量占用最小空間 — 這些均旨在盡可能提高電動汽車的續(xù)航能力。隨著行業(yè)利用雙驅(qū)動裝置提高牽引力，同時借助 800 V 架構(gòu)降低了損耗，該行業(yè)還需要尺寸縮小但輸出功率增加的逆變器，實現(xiàn)遠超硅（Si）基技術(shù)（如 IGBT）能力的功率密度。

Wolfspeed 的最新一代碳化硅（SiC）功率模塊旨在憑借更低的損耗、更高的功率密度和更小的尺寸來滿足以上需求。

本文介紹了 CRD600DA12E-XM3 三相雙逆變器的參考設(shè)計，并揭示如何在下一代電動汽車牽引解決方案中結(jié)合相應(yīng)組件（包括 CAB450M12XM3 功率模塊和 CGD12HBXMP 柵極驅(qū)動器）及其他關(guān)鍵技術(shù)。

系統(tǒng)概述

CRD600DA12E-XM3 包含兩組 CAB450M12XM3 功率模塊，每組均帶有 CGD12HBXMP 柵極驅(qū)動器（圖 1）?？傮w設(shè)計目標(biāo)是采用低成本、低復(fù)雜度的高載流量、低電感設(shè)計，最大限度提高性能。

圖1. 系統(tǒng)方框圖（左）顯示有三個主要組件：兩個轉(zhuǎn)換器模塊（每個模塊均有一個柵極驅(qū)動器）以及控制器。雙逆變器外殼 (C) 的外部還顯示有安裝在冷板上以及帶有柵極驅(qū)動器的電源核心 (B) 上的電源模塊 (A)。提供手柄和底座，方便攜帶。D 顯示橫截面為 204 mm x 267.5 mm。

在設(shè)計系統(tǒng)時，需要考慮五個關(guān)鍵點：

• 使用碳化硅（SiC）技術(shù)可實現(xiàn)的高功率密度。雖然碳化硅（SiC）支持在更高溫度下運行，但高功率密度需要采用先進的散熱技術(shù)。
• 開關(guān)速度快會令系統(tǒng)更容易出現(xiàn)雜散電感引起的過沖和振鈴；因此，需要降低母線結(jié)構(gòu)的雜散電感。
• 針對這一問題，還需要采用低電感、高紋波額定電容，同時注意縮小尺寸。
• 柵極驅(qū)動器電路必須具備足夠的驅(qū)動強度，以維持碳化硅（SiC）技術(shù)要求且支持的開關(guān)速度。
• 整體功率密度應(yīng)明顯較高，從而滿足終端應(yīng)用的要求。

首選功率模塊平臺：XM3

基于 Wolfspeed XM3 全碳化硅（SiC）平臺的功率模塊具有出色的功率密度，顯然是不二之選。它的重量和體積大約是標(biāo)準(zhǔn) 62 mm 模塊的一半，與 EconoDUAL 相比，差距更加顯著（圖 2）。

圖2. XM3 模塊（上）、尺寸比較（左下）以及顯示 XM3 非平面電源線的側(cè)視圖（右下）

XM3 平臺采用重疊的平面結(jié)構(gòu)設(shè)計，以便實現(xiàn)低雜散電感。模塊內(nèi)的電流回路既寬且薄，在器件間均勻分布，從而在開關(guān)位置產(chǎn)生等效阻抗。模塊的電源端子也能垂直偏移，使得直流鏈路電容和模塊之間的簡單母線設(shè)計能夠一直層壓到模塊上。最終結(jié)果是，在 10 MHz 時，電源回路的雜散電感僅為 6.7 nH。

該模塊的雜散電感僅為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)模塊的一半，體積則不到一半，為 53 × 80 mm 規(guī)格。XM3 平臺為不同的目標(biāo)應(yīng)用提供開關(guān)優(yōu)化型和傳導(dǎo)優(yōu)化型產(chǎn)品，例如該系統(tǒng)使用的 CAB450M12XM3 1200 V、450 A 半橋模塊。

XM3 特性包括：低邊開關(guān)位置的集成式溫度傳感器；便于驅(qū)動器集成的內(nèi)置電壓感應(yīng)（de-sat）連接；以及增強功率循環(huán)能力的高可靠性氮化硅（Si3N4）電源基板。

逆變器系統(tǒng)的性能可通過以下幾項技術(shù)得到進一步提升，從而提高散熱效率，減少寄生電感，降低組件數(shù)量和尺寸。

冷板

碳化硅（SiC ）器件支持的高電流密度需要高性能熱疊層才能最大限度地提高熱傳導(dǎo)。在散熱片的眾多選擇中，壓制銅管是液冷板通用的經(jīng)濟化選項。雖然可以使用支持兩側(cè)模塊安裝的薄銅管冷板（約 12.7 mm），但兩側(cè)不同高熱阻以及高壓差的缺點也確實存在，會導(dǎo)致表面和兩側(cè)冷卻的不一致性。

CRD600DA12E-XM3 在冷板中使用了 Wieland Microcool 的微變形技術(shù)（MDT）（圖 3）。MDT 是一項低成本、非減材的專利制造工藝，可通過機械和塑性方式使工件變形，形成有限且可重復(fù)的微通道。

圖3. Wolfspeed 使用 Wieland Microcool 的 MDT 技術(shù)，支持 20 片/英寸（FPI）（相比標(biāo)準(zhǔn) 12 FPI），從而降低熱阻，實現(xiàn)均勻冷卻。

這是高性能冷板的基礎(chǔ)，其具有的嵌入式通道可冷卻 XM3 模塊的整個接觸面。雙面 CP4012D-XP 冷板的外形經(jīng)過優(yōu)化，能夠匹配 XM3 模塊規(guī)格，尺寸較上一代 CP3012 有所縮小。

以 4 LPM 的速度為全部六個模塊位置提供均衡的冷卻液流量，形成 0.048 °C/W（每個位置）或 0.008 °C/W（每個冷板）的極低熱阻。經(jīng)測試，在使用 CAB450M12XM3 時，冷卻系統(tǒng)每個開關(guān)的功耗可達 750 W。

驅(qū)動器強度

由于轉(zhuǎn)換器模塊的碳化硅（SiC）MOSFET 具有高功率性能，驅(qū)動器必須擁有足夠大的驅(qū)動強度（峰值輸出電流額定值或開關(guān)器件所用的電流值）才能維持較快的開關(guān)速度。建議采用 10 A 以上的額定值，確保較高邊緣速率。Wolfspeed 的 CGD12HBXMP 柵極驅(qū)動器便可提供。

雙通道柵極驅(qū)動器擁有過流和極性反接保護特性以及板載的 2 W 隔離型電源，能夠支持 80 kHz 開關(guān)頻率。用戶可配置的開通和關(guān)斷柵極電阻可減少開關(guān)損耗。

該驅(qū)動器還具備可調(diào)過流檢測特性，擁有軟關(guān)斷、欠壓鎖閉以及 PWM 輸入防重疊功能。它還提供約 2 μs 的啟動到熄滅時間，以便在短路情況下安全關(guān)斷。

由于碳化硅（SiC）MOSFET 具有較高的 dV/dt 速率，因此共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）額定值不足會導(dǎo)致邏輯輸出和驅(qū)動器輸出之間的鎖存，造成硬件故障。CGD12HBXMP 具有較高的 100 kV/μs CMTI 額定值、較低（< 5 pF）的隔離電容和差分輸入，能夠提高抗噪能力。

CGD12HBXMP 還擁有與 XM3 模塊相同的尺寸，能夠?qū)⒘鶄€ CAB450M12XM3 模塊及其驅(qū)動器集成在冷板上，形成緊湊的電源核心。這項緊湊的解決方案能夠輕松集成至雙逆變器設(shè)計中。

直流鏈路電容

寄生電感的降低是一項關(guān)鍵問題，且如上所述，XM3 模塊的垂直偏移電源端子部分降低了寄生電感，從而簡化母線設(shè)計，降低電源回路電感。

電容規(guī)格是提高功率密度的最大障礙之一。通常會使用現(xiàn)成的六個 100 μF 圓柱形電容來達到所需的紋波電流額定值，規(guī)格為 451 cm2，并需要使用單獨的母線。

Wolfspeed 使用了專門設(shè)計的直流鏈路電容，規(guī)格僅為 234 cm2。其特點是集成了疊層母線（連接至冷板兩側(cè) XM3 電源模塊的電源端子），降低了電源回路的寄生電感，確保兩組模塊實現(xiàn)均衡的電流路徑。由于取消了單獨的母線和硬件，組件數(shù)量也有所減少。

在電壓為 900 V 時，定制電容為 600 μF，峰值電壓額定值為 1200 V。為了降低快速開關(guān)碳化硅（SiC）逆變器高 di/dt 速率下的常見電壓尖峰，電容和集成母線雜散電感至關(guān)重要，在經(jīng)阻抗分析儀測量端子處的 13 nH 等效串聯(lián)電感后，該設(shè)計已得到驗證。該電容結(jié)合 XM3 模塊的 6.7 nH 電感，總電源回路電感僅為 20 nH，能夠達到更快的開關(guān)速度。

控制器

在選擇該系統(tǒng)的控制器板處理器時，需要考慮以下因素：

• 應(yīng)當(dāng)具備充足的處理“馬力”，用于對所有輸入進行采樣，并作出控制決策。
• 應(yīng)當(dāng)具有足夠多的 ADC 數(shù)量，能夠測量所有必要的系統(tǒng)狀態(tài)，進行適當(dāng)?shù)目刂坪捅O(jiān)測。
• 應(yīng)當(dāng)具有快速硬件中斷功能，用于響應(yīng)故障情形。
• 必須支持標(biāo)準(zhǔn)通信，這對正常運行至關(guān)重要。

因此，該系統(tǒng)的控制器板使用了 Texas Instruments 的雙核浮點 200 MHz 32 位 DSP。此 DSP 擁有充足的 ADC 輸入來測量電流、電壓和溫度，并提供通信支持（包括隔離式 CAN）。

電流傳感器

雙逆變器在輸出端子使用六個電流傳感器。由于系統(tǒng)中的傳感器數(shù)量較多，所選的傳感器模塊尺寸哪怕縮小一點，都會立即帶來顯著影響。雖然 COTS 電流傳感器模塊容易獲得，但可能體積龐大。此外，市場上的一些三合一傳感器模塊加大了對母線幾何形狀的限制。

對于 CRD600DA12E-XM3 系統(tǒng)，Wolfspeed 選擇了直流至 250 kHz Melexis MLX91208 霍爾效應(yīng)傳感器，能夠提供與外部水平磁通密度成比例的高速模擬輸出信號，響應(yīng)時間低至 3 μs。

此傳感器采用八引腳 SOIC 封裝，體積小到可以安裝在緊湊型 PCB 上，然后直接連接至輸出母線。PCB 安裝靈活，能夠簡化輸出母線。

此外，MLX91208 使用沉積在 CMOS 芯片上的集成式集磁片（IMC），從而無需較大的鐵磁芯。該組件規(guī)格為 91.6 mL，而汽車行業(yè)的另一通用傳感器組件體積為 800 mL。

碳化硅（SiC）逆變器中典型的高 dV/dt 速率會令低壓敏感信號（例如電流傳感器的信號）產(chǎn)生噪聲。電流傳感器離開關(guān)節(jié)點很近，使之更易受到影響。傳感器和控制器之間的電纜也是如此，系統(tǒng)周圍的布線也會拾取到噪聲。

Wolfspeed 選擇的傳感器只需疊層式 U 形磁屏，便可防止外場干擾，均勻磁場。PCB 的接地層能夠阻止母線到傳感器的電容耦合。差分信號的使用顯著降低了開關(guān)輻射噪聲的影響。此外，在傳感器板和控制器之間使用屏蔽雙絞線 CAT6 電纜，可確保一對差分信號的噪聲均為共模噪聲。

測試性能

在苛刻的開關(guān)條件下使用低柵極電阻進行鉗位電感負載雙脈沖測試，驗證整個電源回路。恒定電流負載波形顯示，在 800 V 和 600 A 時，開通開關(guān)能量為 23.1 mJ，峰值電流過沖為 113 A。

關(guān)斷開關(guān)能量為 30.1 mJ。芯片的母線電壓裕量為 80 V，與模塊的標(biāo)稱額定值相比，處于 2 倍過載狀態(tài)。

接著，根據(jù) 300 A 標(biāo)稱條件下已知的 12.2 mJ 開通能量和 12 mJ 關(guān)斷能量，計算每個模塊的開關(guān)損耗。使用開關(guān)功率損耗（PSW）公式，

并插入 EON 和 10 kHz 的開關(guān)頻率（fSW），

碳化硅（SiC）具有反向恢復(fù)能量（ERR）極低的巨大優(yōu)勢，這一損耗比同類 Si IGBT（HybridPack 1200 V、380 A 標(biāo)稱值）低 3 倍。

圖7. 輸出母線排列結(jié)構(gòu)能夠靈活支持要求單個逆變器輸出更高電流的應(yīng)用。

該設(shè)計還通過三相再循環(huán)負載測試在應(yīng)用條件下進行了驗證。

這一設(shè)計的輸出端子排列靈活，簡化了測試設(shè)置 — 六個輸出端可用作兩個獨立的三相逆變器，每個逆變器為 375 ARMS，或者通過添加簡單母線和并聯(lián)相位，作為能夠達到 750 ARMS 的單個三相逆變器（圖 7）。

測試使用的是單逆變器設(shè)置，交流輸出端 U 和 X 組合構(gòu)成 A 相，V 和 Y 構(gòu)成 B 相，W 和 Z 構(gòu)成 C 相。三個 125 μH 負載電感連接在逆變器的某個輸出端子和大型電容組的中點之間（每一半為 2.2 mF），額定電壓為 1100 V。

這樣一來，便只需在幾千瓦功率的情況下進行高功率測試，直流電壓電源僅存在系統(tǒng)損耗。在每個開關(guān)周期內(nèi)，能量通過電感器從一半電容轉(zhuǎn)移至另一半，能量轉(zhuǎn)移的方向會在一個基頻周期中翻轉(zhuǎn)。

在 800 V 的母線電壓下經(jīng)過五分鐘測試，電容外殼溫度比環(huán)境溫度高 13 ℃，柵極驅(qū)動器熱點的實測溫度比環(huán)境溫度高 40 ℃。對于 10 kHz 的開關(guān)頻率和 300 Hz 的基頻，RMS 并聯(lián)輸出電流為 750 A，相當(dāng)于 624 kW 的輸出功率。在 10 kHz 時，所選負載電感的電流紋波為 160 A，峰值組合電流達到 1200 A（包括電流紋波）。

圖8. 800 V、10 kHz、25 ℃ 冷卻液時的逆變器功率損耗（左）和效率（右）

10 kHz、375 A 時的開關(guān)能量為 31 mJ。關(guān)于每個開關(guān) 5.53 kW 或 460 W 的總損耗，開關(guān)損耗為 1.8 kW。因此，最高達 624 kW 的逆變器效率超過 99%（圖 8）。

總結(jié)

CRD600DA12E-XM3 三相雙逆變器參考設(shè)計滿足上述五項關(guān)鍵設(shè)計因素，利用 CAB450M12XM3 電源模塊實現(xiàn) 624 kW 的峰值輸出功率和每相 375 Arms 或并聯(lián) 750 Arms 的額定電流。

表 1. CRD600DA12E-XM3 實現(xiàn)了 72.5 kW/L 的功率密度，比等效額定 IGBT 設(shè)計的潛在值高 3.6 倍。

這一解決方案采用 204 × 267.5 × 157.5 mm 的全金屬外殼（如圖 1 所示），重 9.7 kg，體積僅為 8.6 L，即可達到 72.5 kW/L 的超高功率密度，比此前的 300 kW 碳化硅（SiC）參考設(shè)計高出一倍以上，比等效額定 IGBT 逆變器的潛在值高 3.6 倍（表 1）。