具有集成3相SiC MOSFET的液冷模块

CISSOID 最近发布了专为降低开关损耗或提高功率而定制的新型液冷模块，属于其三相碳化硅 （SiC） MOSFET 智能功率模块 （IPM） 产品系列。在接受 CISSOID 首席技术官 Pierre Delatte 采访时指出，新模块要么基于用于液冷的轻型针翅基板，要么基于扁平基板，以满足航空航天领域对自然对流或强制冷却的需求。在专用工业应用中，具有集成的 3 相 SiC MOSFET 器件。

“在航空航天领域，除了用于机电执行器的传统电机驱动器或用于与飞机电气化相关的机载能源发电的电源转换器之外，CISSOID还参与了一些有趣的项目，以解决电气制动和高速电机的新概念。在电动汽车应用中，我们的碳化硅 （SiC） 智能功率模块旨在用于高压牵引逆变器，其中 SiC 技术将发挥重要作用，”Pierre Delatte 解释说。

用于电动汽车和航空航天的碳化硅

作为宽带隙半导体，碳化硅表现出比硅更大的带隙能量（3.2eV，大约是硅的三倍，等于1.1eV）。由于需要更多的能量来激发半导体导电带中的价电子，因此可以实现更高的击穿电压、更高的效率和更好的高温热稳定性。SiC MOSFET 的主要优点是漏源极导通电阻 （R DS（ON） ） 低，在相同击穿电压下比硅器件低 300-400 倍。因此，基于 SiC 的功率器件能够提供更高的功率水平，最大限度地减少功率损耗，同时提高效率并减少组件占用空间。

“如今，对 SiC 功率器件的强劲需求推高了价格和交货时间。由于特斯拉在其主逆变器中采用了该技术，因此所有电动汽车制造商都在转向使用 SiC 功率模块。”Pierre Delatte 继续说道。

在航空航天领域，采用 SiC 的主要动机是该技术提供的重量减轻，这得益于更低的损耗和更好的热特性，从而降低了冷却要求。

导热性确实是一个额外的关键特性，表明提取半导体器件功率损耗产生的热量是多么容易，防止器件的工作温度危险地上升。对于热导率低的半导体器件，如硅，更难以保持较低的工作温度。为此，引入了一种特定的操作模式，称为降额，通过该模式引入性能的部分降低，以便在高温下不损害组件。

碳化硅设计

基于 SiC 的功率转换器设计专注于实现高功率密度。集成的栅极驱动器可防止寄生导通；去饱和检测和软关断 （SSD） 对短路事件做出快速但安全的反应。

基于针鳍基板的 Cissoid 新型液冷模块的额定阻断电压为 1200V，最大连续电流为 340A 至 550A。导通电阻从 2.53 mOhm 到 4.19 mOhm 不等，具体取决于额定电流。总开关能量在 600V/300A 时低至 7.48 mJ （Eon） 和 7.39 mJ （Eoff）。根据 Pierre Delatte 的说法，“智能电源模块 （IPM） 传统上意味着电源模块和栅极驱动器的集成。电源模块和栅极驱动器的协同设计可以通过仔细调整 dV/dt 和控制快速开关固有的电压过冲来优化 IPM 以实现最低开关能量。栅极驱动器的温度稳定性还有助于其与通常耗散数百瓦的功率模块紧密集成。

通过解决驱动快速开关 SiC 晶体管的挑战，Pierre Delatte 强调该 IPM 平台使客户能够加快设计速度。“我们还致力于为我们的 IPM 解决方案添加更多智能和新功能，以提高性能和集成度，同时简化基于 SiC 的电源转换器设计，”他说。

图 1：带有扁平（左）和针鳍（右）底板的 SiC 智能功率模块

新型风冷模块专为无法使用液体冷却的应用而设计，例如航空航天机电执行器和电源转换器。Pierre Delatte 解释了这个 IPM 平台是如何被创建来加速基于 SiC 的电机驱动器的电动汽车开发的，现在正在整个航空航天领域推广。

“我们用乙二醇 （50%） 和水 （50%） 的混合物表征了电源模块的热阻抗，水是电动汽车 （EV） 中常用的冷却剂。人们还可以使用我们的参考冷却器（见图）使用自己的冷却剂轻松测试模块。该冷却器可以用 PA12 材料 3D 打印（图 2）。进出的温度和压力由专用传感器测量，”Pierre Delatte 说。

图 2：基于液体的模块

Pierre Delatte 还指出，功率密度和重量在航空航天领域至关重要，这使得碳化硅 （SiC） 技术非常有价值。碳化硅可实现更低的开关损耗和更高的工作温度，这将使航空电源转换器更容易冷却、更紧凑、更轻。

“我们的 SiC IPM 平台能够在高达 175°C（结温）的温度下工作，而且栅极驱动板的额定工作温度高达 125°C（环境温度）以支持高功率密度。在航空航天领域，液冷很少是一种选择。因此，CISSOID 提出了一种带有扁平基板（见图 1）的电源模块，用于强制风冷或自然对流。底板采用 AlSiC 材料，比传统使用的铜更轻，”Pierre Delatte 总结道。

随着碳化硅在更广泛的应用中采用的增长，早期的 SiC 用户已经在汽车、工业、航空航天和国防领域实现了优势。成功将继续依赖于验证 SiC 器件可靠性和坚固性的能力。随着开发人员采用整体解决方案战略，他们将需要获得由完整可靠的全球供应链和所有必要的设计模拟和开发工具支持的综合产品组合。　　

      审核编辑：彭静