Juan Carlos Rodriguez and Martin Murnane

電動(dòng)汽車、可再生能源和儲(chǔ)能系統(tǒng)等電力開(kāi)發(fā)的成功取決于電力轉(zhuǎn)換方案的有效實(shí)施。電力電子轉(zhuǎn)換器的核心包含專用半導(dǎo)體器件以及用于打開(kāi)和關(guān)閉這些半導(dǎo)體的策略，這是通過(guò)柵極驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)的。

碳化硅 （SiC） 和氮化鎵 （GaN） 半導(dǎo)體等最先進(jìn)的寬帶器件具有增強(qiáng)的功能，例如 600 V 至 2000 V 的高額定電壓、低通道阻抗和高達(dá) MHz 范圍的快速開(kāi)關(guān)速度。這些功能增強(qiáng)了柵極驅(qū)動(dòng)器的要求，例如，更短的傳播延遲和通過(guò)去飽和改進(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)，ADuM4是一款單通道器件，輸出驅(qū)動(dòng)能力高達(dá)150 A，最大共模瞬變抗擾度（CMTI）為<> kV/μs，具有快速故障管理功能（包括去飽和保護(hù)）。

與Stercom Power Solutions GmbH合作開(kāi)發(fā)了用于SiC功率器件的柵極驅(qū)動(dòng)器單元（GDU），展示了ADuM4136的功能（見(jiàn)圖1）。該板采用一個(gè)基于推挽式轉(zhuǎn)換器的雙極性隔離電源供電，該轉(zhuǎn)換器采用 LT3999 電源驅(qū)動(dòng)器構(gòu)建。這款單芯片、高電壓、高頻DC-DC轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)器具有1 A雙開(kāi)關(guān)，具有可編程電流限制、高達(dá)1 MHz的頻率同步、2.7 V至36 V的寬工作范圍和<1 μA關(guān)斷電流。

該解決方案在SiC金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）功率模塊（F23MR12W1M1_ B11）上進(jìn)行了測(cè)試，漏極源極擊穿電壓為1200 V，典型通道電阻為22.5 mΩ，脈沖漏極電流能力為100 A，最大額定柵極源電壓為?10 V和+20 V。

本應(yīng)用筆記評(píng)估了解決方案產(chǎn)生的死區(qū)時(shí)間，并研究了GDU引入的總傳播延遲。經(jīng)過(guò)去飽和檢測(cè)測(cè)試，以保護(hù) SiC 器件免受過(guò)載和短路情況的影響。

測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了解決方案的快速響應(yīng)。

圖1.普宙

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。高壓直流輸入電源 （V1） 放置在電源模塊兩端。在輸入端增加一個(gè)1.2 mF去耦箔電容組（C1）。輸出級(jí)為38 μH電感（L1），可在去飽和保護(hù)測(cè)試期間連接到電源模塊的高端或低端。表1總結(jié)了測(cè)試設(shè)置電源組件。

圖2.測(cè)試設(shè)置原理圖

圖4所示的GDU接收來(lái)自脈沖波發(fā)生器的開(kāi)關(guān)信號(hào)。這些信號(hào)被傳遞到一個(gè)集成的死區(qū)時(shí)間發(fā)生電路，該電路由 LT1720 超快速、雙通道比較器實(shí)現(xiàn)，其輸出饋給兩個(gè) ADuM4136 器件。ADuM4136柵極驅(qū)動(dòng)器向柵極端子提供隔離信號(hào)，并從功率模塊中兩個(gè)SiC MOSFET的漏極接收隔離信號(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，該推挽式轉(zhuǎn)換器采用LT3999 DC-DC驅(qū)動(dòng)器，由外部5 V直流電源供電。SiC模塊的溫度測(cè)量由高精度隔離放大器ADuM4190實(shí)現(xiàn)。ADuM4190由LT3080低壓差（LDO）線性穩(wěn)壓器供電。

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

圖3.測(cè)試設(shè)備設(shè)置

測(cè)試結(jié)果

死區(qū)時(shí)間和傳播延遲

GDU 引入硬件死區(qū)時(shí)間，以避免半橋功率模塊短路，當(dāng)高端和低側(cè) SiC MOSFET 導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)，可能會(huì)發(fā)生短路（參見(jiàn)圖 4）。請(qǐng)注意，延遲PWM_B信號(hào)在本文檔中表示為PWM_B_D。

圖4.普宙信號(hào)鏈

在傳播延遲測(cè)試中，死區(qū)時(shí)間是在底部驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)鏈上測(cè)量的，該信號(hào)鏈由GDU PWM_B信號(hào)的（低電平有效）輸入激勵(lì)。死區(qū)時(shí)間的產(chǎn)生是利用電阻電容器 （RC） 濾波器和 LT1720 超快速比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。圖5至圖8顯示了傳播延遲測(cè)試的結(jié)果。有關(guān)圖3至圖5所示信號(hào)的說(shuō)明，請(qǐng)參見(jiàn)表8。

當(dāng)PWM_B輸入信號(hào)被拉低時(shí)，比較器將其延遲PWM_B_D輸出狀態(tài)從高電平變?yōu)榈碗娖?，死區(qū)時(shí)間由RC電路決定（~160 ns，見(jiàn)圖5）。

圖5.死區(qū)時(shí)間測(cè)量，設(shè)備已打開(kāi)

當(dāng)SiC MOSFET關(guān)斷且PWM_B輸入信號(hào)被拉高時(shí)，與SiC MOSFET導(dǎo)通時(shí)測(cè)得的延遲時(shí)間相比，PWM_B_D延遲時(shí)間可以忽略不計(jì)（~20 ns），如圖6所示。

圖6.死區(qū)時(shí)間測(cè)量，設(shè)備關(guān)閉

PWM_B_D死區(qū)時(shí)間產(chǎn)生和VGS_B信號(hào)切換后的延遲時(shí)間（無(wú)論是開(kāi)啟還是關(guān)閉）的測(cè)量方法如圖7和圖8所示。這些短延遲時(shí)間分別為66 ns和68 ns，是ADuM4136引入的延遲。

圖7.延遲時(shí)間測(cè)量，設(shè)備已打開(kāi)

圖8.延遲時(shí)間測(cè)量，設(shè)備關(guān)閉

開(kāi)啟時(shí)的總傳播延遲時(shí)間（死區(qū)時(shí)間加傳播延遲）為 ~226 ns，關(guān)斷時(shí)的總傳播延遲時(shí)間為 ~90 ns。表4總結(jié)了傳播延遲時(shí)間的結(jié)果。

去飽和保護(hù)

ADuM4136 IC集成了針對(duì)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)高壓短路的去飽和保護(hù)功能。

在該應(yīng)用中，每個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器監(jiān)控從漏極到源極端子的電壓（VDS），通過(guò)檢查其 DESAT 引腳 （V德衛(wèi)星） 不超過(guò)基準(zhǔn)去飽和電壓電平 VDESAT_REF，該電平在 8.66 V 和 9.57 V 之間變化 （VDESAT_REF = 典型值為 9.2 V）。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(jiàn)表6和原理圖部分）。

VDESAT的值可以用以下公式計(jì)算：

VDESAT= VZ + 2 × VDIODE_DROP + VDS

哪里：

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，并且沒(méi)有發(fā)生飽和事件。此外，MOSFET電壓，（V場(chǎng)效應(yīng)管）為高電平，兩個(gè)二極管反向偏置，從而保護(hù)DESAT引腳。

導(dǎo)通期間，DESAT引腳在300 ns的內(nèi)部消隱時(shí)間后釋放，兩個(gè)保護(hù)二極管正向偏置，齊納二極管擊穿。在這里，是否 V德衛(wèi)星電壓高于VDESAT_REF值取決于V的值DS.

在正常操作下，VDS和 V德衛(wèi)星電壓仍然很低。當(dāng)高電流通過(guò) MOSFET 時(shí)，VDS電壓升高并導(dǎo)致V德衛(wèi)星電壓電平高于VDESAT_REF。

在這種情況下，ADuM4136柵極驅(qū)動(dòng)器輸出引腳（V外）在200 ns期間驅(qū)動(dòng)低電平，使MOSFET去飽和，并產(chǎn)生延遲為<2 μs的FAULT信號(hào)，以便柵極驅(qū)動(dòng)器信號(hào)（VGS）立即鎖定。這些信號(hào)只能通過(guò)RESET引腳解鎖。

檢測(cè)電壓電平取決于V的值DS并且可以通過(guò)選擇合適的齊納二極管和擊穿電壓V來(lái)編程到任何電平Z.反過(guò)來(lái)，MOSFET電流（ID） 的去飽和度可以根據(jù) V 估計(jì)DS如 MOSFET 制造商數(shù)據(jù)手冊(cè)中所述。

使用柵極脈沖對(duì)高端和低側(cè)MOSFET進(jìn)行了兩次去飽和保護(hù)測(cè)試。在每次測(cè)試中，通過(guò)選擇不同的齊納二極管來(lái)測(cè)試不同的故障電流。表4總結(jié)了測(cè)試電流水平，假設(shè)最大VDESAT_REF = 9.57 V（最大值）和標(biāo)稱VDIODE_DROP= 0.6 V.

低邊測(cè)試

低側(cè)去飽和保護(hù)測(cè)試是通過(guò)在1°C的室溫下將輸入電壓（V100）從800 V變化到25 V來(lái)進(jìn)行的（見(jiàn)圖9）。

圖9.低邊去飽和保護(hù)測(cè)試

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

圖 10.低邊測(cè)試，V1 = 100 V，無(wú)故障

圖 11.低邊測(cè)試，V1 = 200 V，無(wú)故障

圖 12.低邊測(cè)試，V1 = 300 V，無(wú)故障

圖 13.低邊測(cè)試，V1 = 400 V，無(wú)故障

圖 14.低邊測(cè)試，V1 = 500 V，無(wú)故障

圖 15.低邊測(cè)試，V1 = 600 V，無(wú)故障

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

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）

對(duì)電源模塊的高端進(jìn)行了類似的測(cè)試，在160°C時(shí)，當(dāng)電流為~25 A時(shí)觸發(fā)去飽和保護(hù)，故障狀態(tài)引腳在1.32 μs后觸發(fā)低電平。

低邊和高邊測(cè)試的結(jié)果表明，柵極驅(qū)動(dòng)解決方案可以在<2 μs的高速下報(bào)告電流水平接近編程水平的去飽和檢測(cè)（見(jiàn)表6）。

圖表

圖18至圖20顯示了ADuM4136柵極驅(qū)動(dòng)器板的原理圖。

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

圖 19.ADuM4136柵極驅(qū)動(dòng)板原理圖（用于高端的隔離電源和柵極信號(hào)）

圖 20.ADuM4136柵極驅(qū)動(dòng)板原理圖（用于低側(cè)的隔離電源和柵極信號(hào)）

結(jié)論

ADuM4136柵極驅(qū)動(dòng)器具有短傳播延遲和通過(guò)去飽和保護(hù)快速過(guò)流故障報(bào)告的特點(diǎn)。這些優(yōu)勢(shì)與適當(dāng)?shù)耐獠?a href="http://hljzzgx.com/v/tag/167/" target="_blank">電路設(shè)計(jì)相結(jié)合，可以滿足利用最先進(jìn)的寬帶器件（如SiC和GaN半導(dǎo)體）所能提供的功能的嚴(yán)格要求。

本應(yīng)用筆記中的測(cè)試結(jié)果提供了全柵極驅(qū)動(dòng)解決方案的數(shù)據(jù)，用于在高壓下驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET模塊，具有超快的響應(yīng)速度，并通過(guò)去飽和保護(hù)進(jìn)行充分的故障管理。該柵極驅(qū)動(dòng)解決方案由一款采用 LT3999 構(gòu)建的低噪聲、緊湊、電源轉(zhuǎn)換器供電，該轉(zhuǎn)換器可提供具有足夠電壓電平的隔離電源、低停機(jī)電流和軟啟動(dòng)能力。

審核編輯：郭婷