CoolSiC MOSFET 电机驱动评估板

英飞凌科技为电机控制应用开发了一款评估板，其中包括一个三相 SiC 模块。特别是，它在电力驱动器中使用了 CoolSiC MOSFET 模块的功率。

CoolSiC MOSFET
碳化硅 (SiC) 是具有同素异形体的硅和碳的化合物。碳化硅的优点包括：

带隙为 3.3 eV，而硅为 1.2 eV；

击穿场为 2.2 MV/cm，而硅为 0.3 MV/cm；

导热系数为 4.9 W/cm K（硅为 1.5 W/cm K）；和

电子漂移速度为 2,107 cm/s，而硅的漂移速度为 1,107 cm/s。

由于 SiC 的击穿场高出 10 倍，有源区可以做得更薄，并且可以包含更多的自由载流子。结果，电导率显着更高。与双极 IGBT 不同，SiC 的材料特性能够设计出快速开关的单极器件。基于宽带隙的功率器件，例如 SiC 二极管和晶体管，是电力电子设计的既定元素。与此同时，MOSFET 被普遍接受为首选概念（图 1）。

图 1：宽带隙半导体的应用（图片：英飞凌科技）

基于 SiC 材料的这些优势，SiC MOSFET 正在成为太阳能逆变器和非车载电动汽车 (EV) 充电器等大功率应用中极具吸引力的开关晶体管。由于特定的沟槽结构，CoolSiC MOSFET 提高了沟道迁移率并提高了栅极氧化物的可靠性。

英飞凌最近推出了 CoolSiC MOSFET 器件，完善了其 650-V/1,200-V 产品组合。该技术旨在补充这种阻断电压等级的 IGBT，以及成功的 CoolMOS 技术。CoolSiC MOSFET 650-V 器件的额定值为 27 mΩ 至 107 mΩ。它们采用经典的三引脚 TO-247 封装以及 TO-247 的四引脚版本，可实现更低的开关损耗。据英飞凌称，与竞争的硅和 SiC 解决方案相比，650 V 的 CoolSiC MOSFET 提供的优势包括更高频率的开关效率和出色的可靠性。

由于与温度相关的导通电阻 (R DS(on) ) 非常低，MOSFET 具有出色的热性能。据称，这些器件坚固而稳定的体二极管可保持极低水平的反向恢复电荷 (Qrr) — 比最好的超结 CoolMOS MOSFET 低约 80%。换向鲁棒性有助于轻松实现 98% 的整体系统效率——例如，通过使用连续导通模式图腾柱功率因数校正 (PFC)。

图 2：FS45MR12W1M1_B11 模块示意图（图片：Infineon Technologies）

阻断电压为 1,200 V 的 SiC MOSFET 在太阳能转换器、不间断电源、电池充电器和工业驱动器等应用中很受欢迎。FS45MR12W1M1_B11 是一款 EasyPACK 1B 1,200-V、45-mΩ 六组模块，采用 CoolSiC MOSFET、NTC 电阻器和 PressFIT 接触技术（图 2）。据英飞凌称，它采用低电感设计，可提供最高效率以减少冷却工作。

ROHM Semiconductor 提供 SCT3105KR 1,200-V SiC MOSFET，其采用沟槽栅极结构，针对需要高效率的服务器电源、太阳能逆变器和 EV 充电站进行了优化。采用新的四引脚封装，将电源和驱动器源极端子分开，从而最大限度地提高高速开关性能。因此，与传统的三引脚封装 (TO-247N) 相比，总开启和关闭损耗可减少多达 35%。

评估板
Eval-M5-E1B1245N-SiC 评估板是 iMOTION 模块化应用设计套件 (MADK) 平台的一部分，设计用于一系列控制板和功率级。该板可通过 iMOTION MADK-M5 32 针接口连接器连接到控制板，例如 XMC DriveCard 4400 或 XMC DriveCard 1300。

图 3：Eval-M5-E1B1245N-SiC 评估板的框图（图片：英飞凌科技）

开源卡配备了允许实施控制传感器的相位输出分流器。它有一个三相交流连接器、一个 EMI 滤波器以最大限度地减少对连接电网的高频辐射、一个整流器、一个用于电机连接的三相输出、一个提供 5 V 的辅助电源、一个集成 NTC 温度传感器、和碳化硅 FS45MR12W1M1_B11 六包电源模块（图 3-5）。

图 4：Eval-M5-E1B1245N-SiC 板（图片：EE Times Europe）

图 5：带有风扇的评估板和散热器（图片：EE Times Europe）

Eval-M5-E1B1245N-SiC 框图如图 3所示。所有测量和控制信号都可在 32 针驱动卡接口连接器上使用。板上还提供过热和过流保护的硬件电路。电源区和信令区分开以避免杂项干扰。基本绝缘隔离信号部分。通过将当前的 MOSFET 驱动器和辅助电源变压器（T650、TR200、TR201）替换为具有适用于给定应用的安全认证的部件，隔离设计可以轻松升级为安全电气隔离。

其他功能包括：

输入电压 340 至 ~480 VAC；

最大 7.5 kW 电机功率输出；

带 delta-sigma ADC 的隔离式电流感应；

通过 delta-sigma ADC 对直流母线电压进行隔离感应；

热敏电阻输出；

过载和短路硬件保护；

保护期间所有六个开关都关闭；

坚固的栅极驱动器技术，对瞬态和负电压具有稳定性；

辅助 5V 电源；

与标准示波器探头兼容的测量测试点；和

RoHS 合规性。

图 6：Eval-M5-E1B1245N-SiC 的顶视图（表 1 中的详细信息）（图片：英飞凌科技）

该板的尺寸为 259 × 204 × 1.6 mm，有四个电层，每层都有 35 μm 的铜。图 6显示了电路板的详细信息，如表 1 所述。为了获得输出电流的准确测量和对称过流检测，必须调整模拟信号的偏移电压（图 7）。基本电路板布局可分为四个子类别：转换器的输入电路、辅助电源、功率级和测量。输入电路配有两个 NTC 电阻，用于限制浪涌电流。

表 1：图 6 的详细信息

图 7：偏移调整的相关部件（图片：英飞凌科技）

SiC 器件在电机控制和电力控制应用中的使用代表了节能、减小解决方案尺寸、集成和可靠性方面的飞跃，尤其适用于汽车和工业自动化控制设计。Eval-M5-E1B1245N-SiC 是一款完整的评估板，包括用于电机驱动应用的三相 SiC 功率模块。

审核编辑 黄昊宇