電動(dòng)汽車、可再生能源和儲(chǔ)能系統(tǒng)等電源發(fā)展技術(shù)的成功取決于電力轉(zhuǎn)換方案能否有效實(shí)施。電力電子轉(zhuǎn)換器的核心包含專用半導(dǎo)體器件和通過柵極驅(qū)動(dòng)器控制這些新型半導(dǎo)體器件開和關(guān)的策略。

 

目前最先進(jìn)的寬帶器件，如碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)半導(dǎo)體具有更高的性能，如600 V至2000 V的高電壓額定值、低通道阻抗，以及高達(dá)MHz范圍的快速切換速度。這些提高了柵極驅(qū)動(dòng)器的性能要求，例如，，通過去飽和以得到更短的傳輸延遲和改進(jìn)的短路保護(hù)。

 

本應(yīng)用筆記展示了ADuM4136 柵極驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)勢(shì)，這款單通道器件的輸出驅(qū)動(dòng)能力高達(dá)4 A，最大共模瞬變抗擾度(CMTI)為150 kV/μs，并具有包括去飽和保護(hù)的快速故障管理功能。

 

與Stercom Power Solutions GmbH協(xié)作開發(fā)，用于SiC功率器件的柵極驅(qū)動(dòng)單元(GDU)展現(xiàn)了ADuM4136 的性能（參見圖1）。電路板采用雙極性隔離電源供電，其基于使用LT3999 電源驅(qū)動(dòng)器構(gòu)建的推挽式轉(zhuǎn)換器。此單片式高壓、高頻、DC/DC轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)器包含具有可編程限流功能的1 A雙開關(guān)，提供高達(dá)1 MHz的同步頻率，具有2.7 V至36 V的寬工作范圍，關(guān)斷電流<1 μA。

 

該解決方案采用SiC金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)電源模塊(F23MR12W1M1_ B11)進(jìn)行測(cè)試，SiC模塊提供1200 V的漏源擊穿電壓、22.5 mΩ典型通道電阻和100 A脈沖漏電流能力，最大額定柵極源極電壓為−10 V和+20 V。

 

本應(yīng)用筆記評(píng)估了該解決方案生成的死區(qū)時(shí)間，并分析研究GDU引入的總傳播輸延遲。通過去飽和檢測(cè)，測(cè)試了對(duì)SiC器件的過載和短路保護(hù)功能。

 

測(cè)試結(jié)果表明，該解決方案響應(yīng)快速。

 

圖1.GDU

 

測(cè)試設(shè)置

 

用于報(bào)告測(cè)試的完整設(shè)置如圖2所示。在電源模塊兩端提供高壓直流輸入電源(V1)。在輸入端添加1.2 mF、去耦箔電容組(C1)。輸出級(jí)為38 μH電感(L1)，在去飽和保護(hù)測(cè)試過程中可將其連接至電源模塊的高邊或低邊。表1總結(jié)了測(cè)試設(shè)置功率器件。

 

圖2.測(cè)試設(shè)置原理圖

 

表1.測(cè)試設(shè)置功率器件

 

圖4中所示的GDU接收來自脈沖波發(fā)生器的開關(guān)信號(hào)。這些信號(hào)傳送至死區(qū)時(shí)間產(chǎn)生電路，由LT1720超快、雙通道比較器來實(shí)現(xiàn)，比較器的輸出饋入兩個(gè)ADuM4136 器件。ADuM4136 柵極驅(qū)動(dòng)器向柵極端發(fā)送隔離信號(hào)，并從電源模塊中的兩個(gè)SiC MOSFET的漏極端接收隔離信號(hào)。柵極驅(qū)動(dòng)器的輸出級(jí)由推挽式轉(zhuǎn)換器提供隔離電源，該轉(zhuǎn)換器使用了由外部5 V直流電源供電的LT3999 DC/DC驅(qū)動(dòng)器。SiC模塊的溫度測(cè)量使用了ADuM4190 高精度隔離放大器。ADuM4190 由LT3080 低壓差(LDO)線性穩(wěn)壓器供電。

 

圖3展示了實(shí)驗(yàn)連接設(shè)置，表2描述了去飽和保護(hù)測(cè)試中使用的設(shè)備。

 

表2.測(cè)試設(shè)置設(shè)備

圖3.測(cè)試設(shè)備連接圖

 

測(cè)試結(jié)果

 

死區(qū)時(shí)間和傳輸延遲

 

硬件死區(qū)時(shí)間由GDU引入，以避免半橋電源模塊中出現(xiàn)短路，這在打開或關(guān)閉高邊和低邊SiC MOSFET時(shí)可能會(huì)發(fā)生（請(qǐng)參見圖4）。請(qǐng)注意，延遲的信號(hào)在本文中表示為。

 

在傳輸延遲測(cè)試中，在底部驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)鏈上測(cè)量死區(qū)時(shí)間，其由GDU 信號(hào)的（有效低電平）輸入激發(fā)。死區(qū)時(shí)間通過使用電阻電容(RC)濾波器和LT1720 超快比較器生成。圖5至圖8顯示傳輸延遲測(cè)試的結(jié)果。表3描述了圖5至圖8所示的信號(hào)。

 

表3.示波器信號(hào)描述（低端驅(qū)動(dòng)器）

 

當(dāng)輸入信號(hào)被拉低時(shí)，比較器將其延遲輸出狀態(tài)從高變?yōu)榈停绤^(qū)時(shí)間由RC電路確定（~160 ns，參見圖5）。

 

當(dāng)SiC MOSFET關(guān)斷，且輸入信號(hào)被拉高時(shí)，與SiC MOSFET開啟時(shí)測(cè)量的延遲時(shí)間相比，延遲時(shí)間可以忽略不計(jì)(~20 ns)，如圖6所示。

 

開啟和關(guān)斷時(shí)在死區(qū)時(shí)間生成和VGS_B信號(hào)切換后測(cè)得的延遲時(shí)間如圖7和圖8所示。這些延遲時(shí)間比較短暫，分別為66 ns和68 ns，是由ADuM4136。引入的延遲。

 

開啟時(shí)的總傳輸延遲時(shí)間（死區(qū)時(shí)間加上傳輸延遲）約為226 ns，關(guān)斷時(shí)的總傳輸延遲時(shí)間約為90 ns。表4總結(jié)了傳輸延遲時(shí)間的結(jié)果。

 

圖4.GDU信號(hào)鏈

 

表4.傳播延遲測(cè)試結(jié)果

 

圖5.死區(qū)時(shí)間測(cè)量，器件開啟

 

圖6.死區(qū)時(shí)間測(cè)量，器件關(guān)斷

 

圖7.延遲時(shí)間測(cè)量，器件開啟

 

圖8.延遲時(shí)間測(cè)量，器件關(guān)斷

 

去飽和保護(hù)

 

避免驅(qū)動(dòng)開關(guān)高壓短路的去飽和保護(hù)功能集成在ADuM4136 IC上。

 

在此應(yīng)用中，每個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器間接監(jiān)控MOSFET的漏極至源極引腳的電壓(VDS)，檢查并確認(rèn)其DESAT引腳的電壓(VDESAT)不超過介于8.66 V至9.57 V之間的基準(zhǔn)去飽和電壓電平VDESAT_REF（VDESAT_REF = 9.2 V，典型值）。此外，VDESAT的值取決于MOSFET操作和外部電路：兩個(gè)高壓保護(hù)二極管和一個(gè)齊納二極管（參見表6和原理圖部分）。

 

VDESAT的值可通過以下等式計(jì)算：

 

VDESAT = VZ + 2 ×VDIODE_DROP + VDS

 

其中：

 

VZ是齊納二極管擊穿電壓。

 

VDIODE_DROP是每個(gè)保護(hù)二極管的正向壓降。

 

在關(guān)斷期間，DESAT引腳在內(nèi)部被拉低，未發(fā)生飽和事件。此外，MOSFET電壓(VMOSFET)高，且兩個(gè)二極管反向偏置，以保護(hù)DESAT引腳。

 

在接通期間，DESAT引腳在300 ns內(nèi)部消隱時(shí)間后釋放，兩個(gè)保護(hù)二極管正向偏置，齊納二極管出現(xiàn)故障。在這里，VDESAT電壓是否超出VDESAT_REF值取決于VDS的值。

 

正常工作時(shí)，VDS和VDESAT電壓一直很低。當(dāng)高電流流經(jīng)MOSFET時(shí)，VDS電壓增大，導(dǎo)致VDESAT電壓電平升至VDESAT_REF以上。

 

在這種情況下，ADuM4136 柵極驅(qū)動(dòng)器輸出引腳(VOUT)在200 ns內(nèi)變?yōu)榈碗娖讲⑷ワ柡蚆OSFET，同時(shí)生成延遲<2 µs的信號(hào)，使柵極驅(qū)動(dòng)器信號(hào)(VGS)立即鎖定。這些信號(hào)只能由RESET引腳解鎖。

 

檢測(cè)電壓電平取決于VDS的值，并可通過選擇具有擊穿電壓VZ的合適齊納二極管設(shè)定為任何電平。反過來，可根據(jù)MOSFET制造商數(shù)據(jù)手冊(cè)中所述的VDS來估計(jì)用于去飽和的MOSFET電流(ID)。

 

用柵極脈沖對(duì)高邊和低邊MOSFET進(jìn)行了兩次去飽和保護(hù)測(cè)試。通過選擇不同的齊納二極管，在每次測(cè)試中測(cè)試了不同的故障電流。測(cè)得的電流值如表4所示，假定最大VDESAT_REF = 9.57 V（最大值），標(biāo)稱VDIODE_DROP = 0.6 V。

 

低邊測(cè)試

 

25°C室溫下，通過在100 V至800 V的范圍內(nèi)改變輸入電壓(V1)，進(jìn)行了低邊去飽和保護(hù)測(cè)試（參見圖9）。

 

圖9.低邊去飽和保護(hù)測(cè)試

 

圖10至圖17顯示低邊去飽和保護(hù)測(cè)試的結(jié)果。表5說明了圖10至圖17所示的信號(hào)。

 

表5.示波器信號(hào)描述（低邊測(cè)試）

 

在圖16和圖17中，在25°C下對(duì)~125 A的電流觸發(fā)了去飽和保護(hù)，并且故障狀態(tài)引腳在延遲約1.34 µs后觸發(fā)為低電平。

 

對(duì)電源模塊的高邊進(jìn)行了類似測(cè)試，其中在25°C下對(duì)~160 A的電流觸發(fā)了去飽和保護(hù)，并在1.32 µs后觸發(fā)故障狀態(tài)引腳為低電平。

低邊和高邊測(cè)試的結(jié)果表明，柵極驅(qū)動(dòng)解決方案可在<2 µs的高速下，能夠上報(bào)去飽和檢測(cè)的電流值，這個(gè)電流值接近設(shè)定的電流值（參見表4）。

 

表6.去飽和保護(hù)測(cè)試的計(jì)算條件

 

圖10.低邊測(cè)試，V1 = 100 V，無故障

 

圖11.低邊測(cè)試，V1 = 200 V，無故障

 

圖12.低邊測(cè)試，V1 = 300 V，無故障

 

圖13.低邊測(cè)試，V1 = 400 V，無故障

 

圖14.低邊測(cè)試，V1 = 500 V，無故障

 

圖15.低邊測(cè)試，V1 = 600 V，無故障

 

圖16.低邊測(cè)試，V1 = 800 V，檢測(cè)到故障

 

圖17.低邊測(cè)試，V1 = 800 V，檢測(cè)到故障（放大）

 

原理圖

 

圖18至圖20顯示ADuM4136 柵極驅(qū)動(dòng)器板的原理

 

圖18.ADuM4136 柵極驅(qū)動(dòng)板原理圖（初級(jí)端）

 

圖19.ADuM4136 柵極驅(qū)動(dòng)板原理圖（隔離電源和高邊柵極信號(hào)）

 

圖20.ADuM4136 柵極驅(qū)動(dòng)板原理圖（隔離電源和低邊柵極信號(hào)）

 

結(jié)論

 

ADuM4136 柵極驅(qū)動(dòng)器能夠通過去飽和保護(hù)上報(bào)短傳輸延遲和快速過流故障。這些優(yōu)勢(shì)結(jié)合適當(dāng)?shù)耐獠侩娐吩O(shè)計(jì)，可滿足使用SiC和GaN等先進(jìn)寬禁帶半導(dǎo)體器件應(yīng)用的嚴(yán)格要求。

 

本應(yīng)用筆記中的測(cè)試結(jié)果是全柵極驅(qū)動(dòng)解決方案在高電壓下驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET模塊的數(shù)據(jù)，并通過去飽和保護(hù)功能提供超快響應(yīng)和相應(yīng)的故障管理。此柵極驅(qū)動(dòng)解決方案由LT3999，構(gòu)建的緊湊、低噪聲功率轉(zhuǎn)換器供電，其提供具有適當(dāng)電壓電平的隔離電源以及低關(guān)斷電流和軟啟動(dòng)功能。

 

 

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