使用ADuM4136隔離式柵極驅(qū)動器和LT3999 DC/DC轉(zhuǎn)換器驅(qū)動1200 V SiC電源模塊

簡介

電動汽車、可再生能源和儲能系統(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)動器的優(yōu)勢，這款單通道器件的輸出驅(qū)動能力高達(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)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)電源模塊(F23MR12W1M1_ B11)進(jìn)行測試，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)用筆記評估了該解決方案生成的死區(qū)時間，并分析研究GDU引入的總傳播輸延遲。通過去飽和檢測，測試了對SiC器件的過載和短路保護(hù)功能。

測試結(jié)果表明，該解決方案響應(yīng)快速。

圖 1. G D U

測試設(shè)置

用于報告測試的完整設(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)。輸出級為38 μH電感(L1)，在去飽和保護(hù)測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)了測試設(shè)置功率器件。

圖 2. 測 試 設(shè) 置 原 理 圖

表1.測試設(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。這些信號傳送至死區(qū)時間產(chǎn)生電路，由LT1720超快、雙通道比較器來實現(xiàn)，比較器的輸出饋入兩個ADuM4136 器件。 ADuM4136 柵極驅(qū)動器向柵極端發(fā)送隔離信號，并從電源模塊中的兩個SiC MOSFET的漏極端接收隔離信號。 柵極驅(qū)動器的輸出級由推挽式轉(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)動器。SiC模塊的溫度測量使用了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展示了實驗連接設(shè)置，表2描述了去飽和保護(hù)測試中使用的設(shè)備。

表2.測試設(shè)置設(shè)備

圖 3. 測 試 設(shè) 備 連 接 圖

測試結(jié)果

死區(qū)時間和傳輸延遲

硬件死區(qū)時間由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時可能會發(fā)生（請參見圖4）。請注意，延遲的信號在本文中表示為。

在傳輸延遲測試中，在底部驅(qū)動器的信號鏈上測量死區(qū)時間，其由GDU 信號的（有效低電平）輸入激發(fā)。 死區(qū)時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顯示傳輸延遲測試的結(jié)果。表3描述了圖5至圖8所示的信號。

表3.示波器信號描述（低端驅(qū)動器）

當(dāng)輸入信號被拉低時，比較器將其延遲輸出狀態(tài)從高變?yōu)榈?，死區(qū)時間由RC電路確定（~160 ns，參見圖5）。

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

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

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

圖 4. G D U 信 號 鏈

表4.傳播延遲測試結(jié)果

圖5.死區(qū)時間測量，器件開啟

圖6.死區(qū)時間測量，器件關(guān)斷

圖7.延遲時間測量，器件開啟

圖8.延遲時間測量，器件關(guān)斷

去飽和保護(hù)

避免驅(qū)動開關(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，每個柵極驅(qū)動器間接監(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(V_DESAT)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V_{DESAT_REF}（V_{DESAT_REF} = 9.2 V，典型值）。此外，V_DESAT的值取決于MOSFET操作和外部電路：兩個高壓保護(hù)二極管和一個齊納二極管（參見表6和原理圖部分）。

VDESAT的值可通過以下等式計算：

V_DESAT = V_Z + 2 × V_{DIODE_DROP} + V_DS

其中：

V_Z是齊納二極管擊穿電壓。

V_{DIODE_DROP}是每個保護(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(V_MOSFET)高，且兩個二極管反向偏置，以保護(hù)DESAT引腳。

在接通期間，DESAT引腳在300 ns內(nèi)部消隱時間后釋放，兩個保護(hù)二極管正向偏置，齊納二極管出現(xiàn)故障。在這里，V_DESAT電壓是否超出V_{DESAT_REF}值取決于V_DS的值。

正常工作時，V_DS和V_DESAT電壓一直很低。當(dāng)高電流流經(jīng)MOSFET時，V_DS電壓增大，導(dǎo)致V_DESAT電壓電平升至V_{DESAT_REF}以上。

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

檢測電壓電平取決于V_DS的值，并可通過選擇具有擊穿電壓V_Z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)手冊中所述的V_DS來估計用于去飽和的MOSFET電流(ID)。

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

低 邊 測 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)測試（參見圖9）。

圖 9. 低 邊 去 飽 和 保 護(hù) 測 試

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

表5.示波器信號描述（低邊測試）

在圖16和圖17中，在25°C下對~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。

對電源模塊的高邊進(jìn)行了類似測試，其中在25°C下對~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。

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

表6.去飽和保護(hù)測試的計算條件

圖10.低邊測試，V1 = 100 V，無故障

圖11.低邊測試，V1 = 200 V，無故障

圖12.低邊測試，V1 = 300 V，無故障

圖13.低邊測試，V1 = 400 V，無故障

圖14.低邊測試，V1 = 500 V，無故障

圖15.低邊測試，V1 = 600 V，無故障

圖16.低邊測試，V1 = 800 V，檢測到故障

圖17.低邊測試，V1 = 800 V，檢測到故障（放大）

 原理圖

圖18至圖20顯示ADuM4136 柵極驅(qū)動器板的原理

圖18.ADuM4136 柵極驅(qū)動板原理圖（初級端）

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

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

結(jié)論

ADuM4136 柵極驅(qū)動器能夠通過去飽和保護(hù)上報短傳輸延遲和快速過流故障。這些優(yōu)勢結(jié)合適當(dāng)?shù)耐獠侩娐吩O(shè)計，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)用筆記中的測試結(jié)果是全柵極驅(qū)動解決方案在高電壓下驅(qū)動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)斷電流和軟啟動功能。