碳化硅模块提高电机驱动器的功率密度的方法（碳化硅电机控制模块）

牵引驱动装置是电动汽车(EV) 几乎所有能源消耗的来源。因此，驱动系统必须尽可能高效，同时以最轻的重量占据尽可能小的空间，所有这些都是为了最大限度地扩大电动汽车的行驶里程。由于该行业利用双驱动器来增加牵引力，同时通过800 V 架构降低损耗，该行业还需要尺寸更小但输出功率更高的逆变器，以实现远远超出IGBT 等硅(Si) 技术能力的功率。密度。

Wolfspeed 最新一代碳化硅(SiC) 功率模块旨在满足这些需求，具有更低的损耗、更高的功率密度和更小的尺寸。

本文介绍了CRD600DA12E-XM3 三相双逆变器参考设计，并揭示了如何将CAB450M12XM3 功率模块和CGD12HBXMP 栅极驱动器等组件以及其他关键技术结合到下一代电动汽车牵引解决方案中。

系统总览

CRD600DA12E-XM3 由两组CAB450M12XM3 电源模块组成，每组均配有CGD12HBXMP 栅极驱动器（图1）。总体设计目标是利用低成本、低复杂性、高载流、低电感设计来最大限度地提高性能。

图1：系统框图（左）显示三个主要组件：两个转换器模块（每个模块都有一个栅极驱动器）

和控制器。双逆变器外壳(C) 的外部还显示了安装在冷板上的功率模块(A) 和带有栅极驱动器的功率核心(B)。提供手柄和底座，方便携带。 D 显示了204 mm x 267.5 mm 的横截面。

设计系统时，需要考虑五个关键点：

使用碳化硅(SiC) 技术可实现高功率密度。虽然碳化硅(SiC) 支持在更高温度下运行，但高功率密度需要先进的散热技术。

快速开关速度使系统更容易受到杂散电感引起的过冲和振铃的影响；因此，需要降低母线结构的杂散电感。

为了解决这个问题，还需要使用低电感、高纹波额定值的电容器，同时还要注意减小尺寸。

栅极驱动器电路必须具有足够的驱动强度，以维持碳化硅(SiC) 技术所需和支持的开关速度。

总体功率密度应显着提高才能满足最终应用的要求。

首选电源模块平台：XM3

基于Wolfspeed XM3 全碳化硅(SiC) 平台的电源模块因其出色的功率密度而成为显而易见的选择。它的重量和体积大约是标准62 mm 模块的一半，与EconoDUAL 相比，差异更为显着（图2）。

XM3平台采用重叠平面结构设计，可实现低杂散电感。模块内的电流环路既宽又薄，并且均匀分布在设备之间，在开关位置产生等效阻抗。该模块的电源端子也可以垂直偏移，从而允许直流母线电容器和模块之间的简单母线设计一直层压到模块。最终结果是电源环路在10 MHz 时仅有6.7 nH 杂散电感。

该模块的杂散电感仅为行业标准模块的一半，尺寸为53 80 mm，不到一半。 XM3平台为不同的目标应用提供开关优化和传导优化的产品，例如该系统中使用的CAB450M12XM3 1,200 V、450 A半桥模块。

XM3 的功能包括低侧开关位置的集成温度传感器；内置电压感应（de-sat）连接，方便驱动器集成；以及用于增强功率循环能力的高可靠性氮化硅(Si3N4) 功率基板。

通过提高散热效率、减少寄生电感、减少元件数量和尺寸等多项技术，可以进一步提高逆变器系统的性能。

冷板

碳化硅(SiC) 器件支持的高电流密度需要高性能热堆栈来最大限度地提高热传导。在散热器的众多选择中，压制铜管是液体冷却板的常见且经济高效的选择。虽然可以采用薄铜管冷板（约12.7毫米）支持两侧安装组件，但两侧热阻不同、压差大的缺点确实存在，会导致散热不一致。表面和两侧冷却。

CRD600DA12E-XM3 在冷板中采用Wieland Microcool 的微变形技术(MDT)。 MDT 是一种低成本、非减材的专利制造工艺，可对工件进行机械塑性变形，形成有限且可重复的微通道。

块规格、尺寸较上一代CP3012有所减小。

以4 LPM 的速度向所有六个模块位置提供平衡的冷却剂流量，从而实现0.048C/W（每个位置）或0.008C/W（每个冷板）的极低热阻。经测试，使用CAB450M12XM3 时，冷却系统每台交换机的功耗高达750 W。

驱动强度

由于转换器模块的碳化硅(SiC) MOSFET 具有高功率性能，驱动器必须具有足够的驱动强度（峰值输出电流额定值或开关器件使用的电流）以维持快速开关速度。建议使用高于10 A 的额定值，以确保高边缘速率。 Wolfspeed 的CGD12HBXMP 栅极驱动器提供了这一点。

双通道栅极驱动器具有过流和反极性保护以及能够支持80 kHz 开关频率的板载2 W 隔离电源。用户可配置的开通和关断栅极电阻可降低开关损耗。

该驱动器还具有可调节过流检测、软关断、欠压锁定和PWM 输入防重叠功能。它还提供大约2 s 的开启到关闭时间，以便在发生短路时安全关闭。

由于碳化硅(SiC) MOSFET 具有高dV/dt 速率，共模瞬态抗扰度(CMTI) 额定值不足可能会导致逻辑输出和驱动器输出之间发生锁存，从而导致硬件故障。 CGD12HBXMP 具有更高的100 kV/s CMTI 额定值、更低(5 pF) 的隔离电容以及可提高抗噪能力的差分输入。

CGD12HBXMP 还具有与XM3 模块相同的外形尺寸，允许将六个CAB450M12XM3 模块及其驱动器集成在冷板上，形成紧凑的电源核心（图4）。这种紧凑的解决方案可以轻松集成到双逆变器设计中。

直流母线电容器

减少寄生电感是一个关键问题，如上所述，XM3模块的垂直偏置电源端子部分减少了寄生电感，简化了母线设计并减少了电源环路电感。

电容器尺寸是提高功率密度的最大障碍之一。通常使用六个现成的100 F 圆柱形电容器来实现所需的纹波电流额定值，尺寸为451 cm2，并且需要使用单独的母线。

Wolfspeed 使用专门设计的直流母线电容器（图5），尺寸仅为234 cm2。它采用集成叠层母排（连接到冷板两侧XM3功率模块的电源端子），减少了功率回路的寄生电感，并确保两组模块的电流路径平衡。由于取消了单独的母线和硬件，组件的数量也减少了。定制电容为600 F，900 V 时的峰值额定电压为1,200 V。为了减少快速开关碳化硅(SiC) 逆变器在高di/dt 速率下的公共电压尖峰，电容和集成总线杂散电感至关重要，用阻抗分析仪测量了端子处的13nH等效串联电感后，设计得到了验证。该电容器与XM3 模块的6.7 nH 电感相结合，使总电源环路电感仅为20 nH，从而实现更快的开关速度。

控制器

为该系统选择控制器板处理器时，请考虑以下因素：

应有足够的处理“马力”来对所有输入进行采样并做出控制决策。

应该有足够数量的ADC 来测量所有必要的系统状态，以进行适当的控制和监视。

应提供快速硬件中断来响应故障情况。

必须支持标准通信，这对于正常运行至关重要。

因此，系统的控制器板采用德州仪器(TI) 的双核浮点200 MHz 32 位DSP。 DSP 具有充足的ADC 输入来测量电流、电压和温度，并提供包括隔离CAN 在内的通信支持。

电流传感器

双逆变器在输出端子处使用六个电流传感器。由于系统中存在大量传感器，即使所选传感器模块的尺寸小幅减小也会产生立竿见影的重大影响。尽管COTS 电流传感器模块很容易获得，但它们可能体积庞大。此外，市场上的一些三合一传感器模块增加了对母线几何形状的限制。

对于CRD600DA12E-XM3 系统，Wolfspeed 选择了DC 至250 kHz Melexis MLX91208 霍尔效应传感器，能够提供与外部水平磁通密度成比例的高速模拟输出信号，响应时间低至3 s。

该传感器采用八引脚SOIC 封装，该封装足够小，可以安装在紧凑的PCB 上并直接连接到输出总线。 PCB 安装灵活性简化了输出母线。

此外，MLX91208 使用沉积在CMOS 芯片上的集成集磁器(IMC)，无需更大的铁磁芯。该组件尺寸为91.6 mL，而汽车行业另一种常见传感器组件的体积为800 mL。

碳化硅(SiC) 逆变器中典型的高dV/dt 率可能会在低压敏感信号（例如来自电流传感器的信号）中产生噪声。电流传感器距离关节点非常近，更容易受到影响。传感器和控制器之间的电缆也是如此，系统周围的布线也会产生噪声。

Wolfspeed选择的传感器只需要叠层U型磁屏即可防止外场干扰并使磁场均匀。 PCB 的接地层可防止母线与传感器之间的电容耦合。差分信号的使用显着降低了开关辐射噪声的影响。此外，在传感器板和控制器之间使用屏蔽双绞线CAT6 电缆可确保一对差分信号上的噪声为共模噪声。

测试性能

在恶劣的开关条件下使用低栅极电阻，使用钳位电感负载双脉冲测试来验证整个电源回路。恒流负载波形显示，在800 V 和600 A 条件下，开启开关能量为23.1 mJ，峰值电流过冲为113 A。

关闭开关能量为30.1 mJ。该芯片的总线电压裕度为80 V，与模块标称额定值相比是2 倍过载。

接下来，根据300 A 标称条件下已知的12.2 mJ 开启能量和12 mJ 关闭能量计算每个模块的开关损耗。使用开关功率损耗(PSW) 公式，

碳化硅(SiC) 具有极低反向恢复能量(ERR) 的巨大优势，比同类Si IGBT（HybridPack 1,200 V、380 A 标称值）低3 倍。

该设计还在应用条件下通过三相再循环负载测试进行了验证。

该设计灵活的输出端子排列简化了测试设置——六个输出可用作两个独立的三相逆变器，每个逆变器为375 ARMS，或者通过添加简单母线和并联相，作为单个三相逆变器，每个逆变器为750 ARMS（图7).

该测试使用单个逆变器设置，其中交流输出U 和X 组合形成A 相，V 和Y 组合形成B 相，W 和Z 组合形成C 相。三个125 H 负载电感器连接在逆变器输出之一之间端子和大型电容器组的中点（每半个2.2 mF），额定电压为1,100 V。

这样就可以仅用几千瓦的功率进行高功率测试，并且只有直流电压供应中的系统损耗。在每个开关周期期间，能量通过电感器从电容的一半转移到另一半，能量转移的方向在一个基频周期中翻转。在800 V 总线电压下进行五分钟测试后，电容器外壳温度比环境温度高13C，测得的栅极驱动器热点温度比环境温度高40C。对于10 kHz 的开关频率和300 Hz 的基频，RMS 并联输出电流为750 A，对应于624 kW 的输出功率。在10 kHz 时，所选负载电感的电流纹波为160 A，从而提供1,200 A 的峰值组合电流（包括电流纹波）。

图8：800 V、10 kHz、25C 冷却剂时的逆变器功率损耗（左）和效率（右）

10 kHz、375 A 时的开关能量为31 mJ。对于每个开关5.53 kW 或460 W 的总损耗，开关损耗为1.8 kW。因此，功率高达624 kW 的逆变器的效率超过99%（图8）。

总结

CRD600DA12E-XM3 三相双逆变器参考设计满足上述五个关键设计因素，利用CAB450M12XM3 功率模块实现624 kW 峰值输出功率和每相375 Arms 或并联750 Arms 的额定电流。

竞争对手CRD300DA12E - XM3CRD600DA12E - L

表1：CRD600DA12E-XM3 实现了72.5 kW/L 的功率密度，比同等额定IGBT 设计的潜力高出3.6 倍。

该方案采用204267.5157.5 mm全金属外壳（如图1所示），重9.7 kg，体积仅8.6 L，可实现72.5 kW/L的超高功率密度，比上一代提高了300kW/L。 kW 碳化硅(SiC) 参考设计的潜力比同等额定IGBT 逆变器的潜力高出两倍以上和3.6 倍（表1）。