該板在客戶(hù)使用 FS45MR12W1M1_B11 六組電源模塊和 EiceDRIVER 1EDI20H12AH 1,200-V 隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)應(yīng)用的第一步時(shí)為他們提供支持。該模塊具有額定 1,200V 阻斷電壓和 45mΩ 的典型通態(tài)電阻。它針對(duì)具有極高頻開(kāi)關(guān)操作的電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。

CoolSiC MOSFET

碳化硅 (SiC) 是一種具有同素異形體的硅和碳的化合物。碳化硅的優(yōu)點(diǎn)包括：

帶隙為 3.3 eV，而硅為 1.2 eV；

擊穿場(chǎng)為 2.2 MV/cm，而硅為 0.3 MV/cm；

熱導(dǎo)率為 4.9 W/cm K（硅為1.5 W/cm K）；和

電子漂移速度為 2 107 cm/s，而硅為1 107 cm/s。

由于 SiC 的擊穿場(chǎng)高 10 倍，有源區(qū)可以做得更薄，并且可以結(jié)合更多的自由載流子。結(jié)果，電導(dǎo)率顯著更高。與雙極型 IGBT 相比，碳化硅的材料特性能夠?qū)崿F(xiàn)快速開(kāi)關(guān)單極型器件的設(shè)計(jì)。基于寬帶隙的功率器件（例如 SiC 二極管和晶體管）是電力電子設(shè)計(jì)的既定元素。與此同時(shí)，人們普遍認(rèn)為 MOSFET 是首選概念（圖 1）。

圖 1：寬帶隙半導(dǎo)體的應(yīng)用（圖片：Infineon Technologies）

基于 SiC 材料的這些優(yōu)勢(shì)，SiC MOSFET 正在成為大功率應(yīng)用的有吸引力的開(kāi)關(guān)晶體管，例如太陽(yáng)能逆變器和非車(chē)載電動(dòng)汽車(chē) (EV) 充電器。得益于特殊的溝槽結(jié)構(gòu)，CoolSiC MOSFET 提高了溝道遷移率并提高了柵極氧化層的可靠性。

英飛凌最近推出了 CoolSiC MOSFET 器件，完善了其 650-V/1,200-V 產(chǎn)品組合。該技術(shù)不僅旨在補(bǔ)充這種阻斷電壓等級(jí)的 IGBT，而且還旨在補(bǔ)充成功的 CoolMOS 技術(shù)。CoolSiC MOSFET 650-V 器件的額定值為 27 mΩ 至 107 mΩ。它們采用經(jīng)典的三引腳 TO-247 封裝以及四引腳版本的 TO-247，可實(shí)現(xiàn)更低的開(kāi)關(guān)損耗。英飛凌表示，與競(jìng)爭(zhēng)性硅和 SiC 解決方案相比，650 V 的 CoolSiC MOSFET 提供的優(yōu)勢(shì)包括更高頻率下的開(kāi)關(guān)效率和出色的可靠性。

由于導(dǎo)通電阻 (RDS(on)) 對(duì)溫度的依賴(lài)性非常低，MOSFET 具有出色的熱性能。據(jù)稱(chēng)，這些器件堅(jiān)固且穩(wěn)定的體二極管可保持非常低的反向恢復(fù)電荷 (Qrr)——比最好的超級(jí)結(jié) CoolMOS MOSFET 低約 80%。換向穩(wěn)健性有助于輕松實(shí)現(xiàn) 98% 的整體系統(tǒng)效率——例如，通過(guò)使用連續(xù)傳導(dǎo)模式圖騰柱功率因數(shù)校正 (PFC)。

圖 2：FS45MR12W1M1_B11 模塊示意圖（圖片：Infineon Technologies）

具有 1,200 V 阻斷電壓的 SiC MOSFET 在太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器、不間斷電源、電池充電器和工業(yè)驅(qū)動(dòng)器等應(yīng)用中很有趣。FS45MR12W1M1_B11 是一款 EasyPACK 1B 1,200-V、45-mΩ 六塊式模塊，采用 CoolSiC MOSFET、NTC 電阻器和 PressFIT 接觸技術(shù)（圖 2）。據(jù)英飛凌稱(chēng)，它通過(guò)低電感設(shè)計(jì)提供最高效率以減少冷卻工作。

ROHM Semiconductor 提供 SCT3105KR 1,200-V 碳化硅 MOSFET，采用溝槽柵極結(jié)構(gòu)，針對(duì)需要高效率的服務(wù)器電源、太陽(yáng)能逆變器和電動(dòng)汽車(chē)充電站進(jìn)行了優(yōu)化。使用新的四引腳封裝將電源和驅(qū)動(dòng)器源端子分開(kāi)，從而可以最大限度地提高高速開(kāi)關(guān)性能。因此，與傳統(tǒng)的三引腳封裝 (TO-247N) 相比，總導(dǎo)通和關(guān)斷損耗可降低多達(dá) 35%。

評(píng)估委員會(huì)

Eval-M5-E1B1245N-SiC 評(píng)估板是 iMOTION 模塊化應(yīng)用設(shè)計(jì)套件 (MADK) 平臺(tái)的一部分，旨在與一系列控制板和功率級(jí)配合使用。該板可通過(guò) iMOTION MADK-M5 32 針接口連接器連接到 XMC DriveCard 4400 或 XMC DriveCard 1300 等控制板。

圖 3：Eval-M5-E1B1245N-SiC 評(píng)估板的框圖（圖片：Infineon Technologies）

開(kāi)源卡配備了相位輸出分流器，可以實(shí)現(xiàn)控制傳感器。它有一個(gè)三相交流連接器、一個(gè) EMI 濾波器以最大限度地減少對(duì)連接電網(wǎng)的高頻輻射、一個(gè)整流器、一個(gè)用于電機(jī)連接的三相輸出、一個(gè)提供 5 V 的輔助電源、一個(gè)集成的 NTC 溫度傳感器、和一個(gè)碳化硅 FS45MR12W1M1_B11 六組電源模塊。

Eval-M5-E1B1245N-SiC 框圖如圖 3 所示。所有測(cè)量和控制信號(hào)均可在 32 針驅(qū)動(dòng)卡接口連接器上使用。板上還提供了用于過(guò)溫和過(guò)流保護(hù)的硬件電路。電源區(qū)和信令區(qū)是分開(kāi)的，以避免雜項(xiàng)干擾。基本絕緣隔離信號(hào)部分。通過(guò)使用具有適用于給定應(yīng)用的安全認(rèn)證的部件替換當(dāng)前的 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器和輔助電源變壓器（T650、TR200、TR201），隔離設(shè)計(jì)可以輕松升級(jí)為安全電氣隔離。

附加功能包括：

輸入電壓 340 至 ~480 VAC；

最大 7.5 千瓦電機(jī)功率輸出；

帶 delta-sigma ADC 的隔離電流檢測(cè)；

通過(guò) delta-sigma ADC 隔離檢測(cè)直流母線(xiàn)電壓；

熱敏電阻輸出；

過(guò)載和短路硬件保護(hù)；

保護(hù)期間所有六個(gè)開(kāi)關(guān)都關(guān)閉；

堅(jiān)固耐用的柵極驅(qū)動(dòng)器技術(shù)，對(duì)瞬態(tài)和負(fù)電壓具有穩(wěn)定性；

輔助 5V 電源；

與標(biāo)準(zhǔn)示波器探頭兼容的測(cè)量測(cè)試點(diǎn)；和

RoHS 合規(guī)性。

圖 6：Eval-M5-E1B1245N-SiC 的頂視圖（詳情見(jiàn)表 1）（圖片：Infineon Technologies）

該板的尺寸為 259 × 204 × 1.6 mm，有四個(gè)電氣層，每個(gè)電氣層都有 35 μm 的銅。圖 6 顯示了電路板的詳細(xì)信息，如表 1 中所述。為了獲得輸出電流的準(zhǔn)確測(cè)量和對(duì)稱(chēng)的過(guò)流檢測(cè)，必須調(diào)整模擬信號(hào)的偏移電壓（圖 7）。基本電路板布局可分為四個(gè)子類(lèi)別：轉(zhuǎn)換器的輸入電路、輔助電源、功率級(jí)和測(cè)量。輸入電路配有兩個(gè) NTC 電阻，可限制浪涌電流。

表 1：圖 6 的詳細(xì)信息

圖 7：偏移調(diào)整的相關(guān)部件（圖片：Infineon Technologies）

所有電源電壓均由反激式轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生，由 DC-BUS 提供。供電電路由英飛凌 ICE5QSAG 控制 IC 實(shí)現(xiàn)。電源電壓通過(guò)基本絕緣與 DC-BUS 電位隔離（圖 8）。

圖 8：輔助電源（圖片：Infineon Technologies）

反激式轉(zhuǎn)換器旨在產(chǎn)生三個(gè)電壓電平：17.6、15 和 6V。15V 電源電壓主要用于 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器的電源電路。來(lái)自該電壓的 –5 V 電源電壓來(lái)自用于電路板模擬電路負(fù)電源的線(xiàn)性穩(wěn)壓器。正模擬電源直接連接到 +6V 電源。該電壓指南還用于為穩(wěn)壓器和過(guò)流閾值生成生成 +5 V。

功率級(jí)原理圖如圖 9 所示。 FS45R12M1W1_B11 六組電源模塊的三相引腳連接到一個(gè)薄膜電容器和四個(gè)陶瓷電容器。在每一相，輸出電流由分流電阻器測(cè)量。分流電壓由電流隔離的 delta-sigma DAC 測(cè)量。二階低通濾波器以大約 6.5 kHz 的帶寬執(zhí)行轉(zhuǎn)換。對(duì)于偏移調(diào)整，可以通過(guò) R5564 電位計(jì)為所有三個(gè)電流調(diào)整低通濾波器的參考電壓。

圖 9：功率級(jí)原理圖（圖片：Infineon Technologies）

審核編輯：劉清