使用隔离式栅极驱动器和DC-DC转换器驱动1200 V SiC电源模块

Juan Carlos Rodriguez and Martin Murnane

电动汽车、可再生能源和储能系统等电力开发的成功取决于电力转换方案的有效实施。电力电子转换器的核心包含专用半导体器件以及用于打开和关闭这些半导体的策略，这是通过栅极驱动器实现的。

碳化硅 （SiC） 和氮化镓 （GaN） 半导体等最先进的宽带器件具有增强的功能，例如 600 V 至 2000 V 的高额定电压、低通道阻抗和高达 MHz 范围的快速开关速度。这些功能增强了栅极驱动器的要求，例如，更短的传播延迟和通过去饱和改进的短路保护。

本应用笔记展示了ADuM4136栅极驱动器的优势，ADuM4是一款单通道器件，输出驱动能力高达150 A，最大共模瞬变抗扰度（CMTI）为<> kV/μs，具有快速故障管理功能（包括去饱和保护）。

与Stercom Power Solutions GmbH合作开发了用于SiC功率器件的栅极驱动器单元（GDU），展示了ADuM4136的功能（见图1）。该板采用一个基于推挽式转换器的双极性隔离电源供电，该转换器采用 LT3999 电源驱动器构建。这款单芯片、高电压、高频DC-DC转换驱动器具有1 A双开关，具有可编程电流限制、高达1 MHz的频率同步、2.7 V至36 V的宽工作范围和<1 μA关断电流。

该解决方案在SiC金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）功率模块（F23MR12W1M1_ B11）上进行了测试，漏极源极击穿电压为1200 V，典型通道电阻为22.5 mΩ，脉冲漏极电流能力为100 A，最大额定栅极源电压为−10 V和+20 V。

本应用笔记评估了解决方案产生的死区时间，并研究了GDU引入的总传播延迟。经过去饱和检测测试，以保护 SiC 器件免受过载和短路情况的影响。

测试结果验证了解决方案的快速响应。

图1.普宙

测试设置

用于报告测试的完整设置如图 2 所示。高压直流输入电源 （V1） 放置在电源模块两端。在输入端增加一个1.2 mF去耦箔电容组（C1）。输出级为38 μH电感（L1），可在去饱和保护测试期间连接到电源模块的高端或低端。表1总结了测试设置电源组件。

图2.测试设置原理图

 

组件	价值
V1 版	0 V 至 1000 V
C1	1.2 毫频
碳化硅功率模块 （FF23MR12W1M1_B11）	1200 V， 23 mΩ
L1	38微小时

 

图4所示的GDU接收来自脉冲波发生器的开关信号。这些信号被传递到一个集成的死区时间发生电路，该电路由 LT1720 超快速、双通道比较器实现，其输出馈给两个 ADuM4136 器件。ADuM4136栅极驱动器向栅极端子提供隔离信号，并从功率模块中两个SiC MOSFET的漏极接收隔离信号。栅极驱动器的输出级由推挽式转换器提供隔离电源，该推挽式转换器采用LT3999 DC-DC驱动器，由外部5 V直流电源供电。SiC模块的温度测量由高精度隔离放大器ADuM4190实现。ADuM4190由LT3080低压差（LDO）线性稳压器供电。

图3显示了实验设置，表2描述了去饱和保护测试中使用的设备。

图3.测试设备设置

 

设备	制造者	部件号
示波器	罗德与施瓦茨	HMO3004， 500兆赫
直流电源	科梅尔奇	QJE3005EIII
栅极驱动单元 （GDU）	斯特康	SC18025.1
脉冲波发生器	IB比尔曼	PMG02A
数字万用表	侥幸	福禄克 175
高压差分探头	泰斯特克	TT-SI 9010
交流罗氏电流探头	质子交换膜	嘉信力旅运迷你版

 

测试结果

死区时间和传播延迟

GDU 引入硬件死区时间，以避免半桥功率模块短路，当高端和低侧 SiC MOSFET 导通或关断时，可能会发生短路（参见图 4）。请注意，延迟PWM_B信号在本文档中表示为PWM_B_D。

图4.普宙信号链

在传播延迟测试中，死区时间是在底部驱动器的信号链上测量的，该信号链由GDU PWM_B信号的（低电平有效）输入激励。死区时间的产生是利用电阻电容器 （RC） 滤波器和 LT1720 超快速比较器来实现的。图5至图8显示了传播延迟测试的结果。有关图3至图5所示信号的说明，请参见表8。

 

象征	信号功能	通道号
VGS_B	场效应管门控	2
PWM_B_D	比较器后	3
PWM_B	对普宙的输入	4

 

当PWM_B输入信号被拉低时，比较器将其延迟PWM_B_D输出状态从高电平变为低电平，死区时间由RC电路决定（~160 ns，见图5）。

图5.死区时间测量，设备已打开

当SiC MOSFET关断且PWM_B输入信号被拉高时，与SiC MOSFET导通时测得的延迟时间相比，PWM_B_D延迟时间可以忽略不计（~20 ns），如图6所示。

图6.死区时间测量，设备关闭

PWM_B_D死区时间产生和VGS_B信号切换后的延迟时间（无论是开启还是关闭）的测量方法如图7和图8所示。这些短延迟时间分别为66 ns和68 ns，是ADuM4136引入的延迟。

图7.延迟时间测量，设备已打开

图8.延迟时间测量，设备关闭

开启时的总传播延迟时间（死区时间加传播延迟）为 ~226 ns，关断时的总传播延迟时间为 ~90 ns。表4总结了传播延迟时间的结果。

 

事件	切换信号，高低	切换信号，低-高	死区时间（纳秒）	驱动器延迟时间（纳秒）	总传播延迟时间（ns）
设备已打开	PWM_B， PWM_B_D	门信号	160	66	226
设备已关闭	门信号	PWM_B， PWM_B_D	22	68	90

 

去饱和保护

ADuM4136 IC集成了针对驱动开关高压短路的去饱和保护功能。

在该应用中，每个栅极驱动器监控从漏极到源极端子的电压（VDS），通过检查其 DESAT 引脚 （V德卫星） 不超过基准去饱和电压电平 VDESAT_REF，该电平在 8.66 V 和 9.57 V 之间变化 （VDESAT_REF = 典型值为 9.2 V）。此外，VDESAT的值取决于MOSFET操作和外部电路：两个高压保护二极管和一个齐纳二极管（参见表6和原理图部分）。

VDESAT的值可以用以下公式计算：

VDESAT = VZ + 2 × VDIODE_DROP + VDS

哪里：

VZ是齐纳二极管击穿电压。

VDIODE_DROP是每个保护二极管的正向压降。

在关断期间，DESAT引脚在内部被拉低，并且没有发生饱和事件。此外，MOSFET电压，（V场效应管）为高电平，两个二极管反向偏置，从而保护DESAT引脚。

导通期间，DESAT引脚在300 ns的内部消隐时间后释放，两个保护二极管正向偏置，齐纳二极管击穿。在这里，是否 V德卫星电压高于VDESAT_REF值取决于V的值DS.

在正常操作下，VDS和 V德卫星电压仍然很低。当高电流通过 MOSFET 时，VDS电压升高并导致V德卫星电压电平高于VDESAT_REF。

在这种情况下，ADuM4136栅极驱动器输出引脚（V外）在200 ns期间驱动低电平，使MOSFET去饱和，并产生延迟为<2 μs的FAULT信号，以便栅极驱动器信号（VGS）立即锁定。这些信号只能通过RESET引脚解锁。

检测电压电平取决于V的值DS并且可以通过选择合适的齐纳二极管和击穿电压V来编程到任何电平Z.反过来，MOSFET电流（ID） 的去饱和度可以根据 V 估计DS如 MOSFET 制造商数据手册中所述。

使用栅极脉冲对高端和低侧MOSFET进行了两次去饱和保护测试。在每次测试中，通过选择不同的齐纳二极管来测试不同的故障电流。表4总结了测试电流水平，假设最大VDESAT_REF = 9.57 V（最大值）和标称VDIODE_DROP= 0.6 V.

低边测试

低侧去饱和保护测试是通过在1°C的室温下将输入电压（V100）从800 V变化到25 V来进行的（见图9）。

图9.低边去饱和保护测试

图10至图17显示了低边去饱和保护测试的结果。表5描述了图10至图17所示的信号。

 

通道号	信号名称
1	故障
2	VDS
3	我D
4	VGS

 

图 10.低边测试，V1 = 100 V，无故障

图 11.低边测试，V1 = 200 V，无故障

图 12.低边测试，V1 = 300 V，无故障

图 13.低边测试，V1 = 400 V，无故障

图 14.低边测试，V1 = 500 V，无故障

图 15.低边测试，V1 = 600 V，无故障

在图16和图17中，在125°C时，~25 A电流触发去饱和保护，故障状态引脚在延迟约1.34 μs后触发低电平。

图 16.低边测试，V1 = 800 V，检测到故障

图 17.低边测试，V1 = 800 V，检测到故障（放大）

对电源模块的高端进行了类似的测试，在160°C时，当电流为~25 A时触发去饱和保护，故障状态引脚在1.32 μs后触发低电平。

低边和高边测试的结果表明，栅极驱动解决方案可以在<2 μs的高速下报告电流水平接近编程水平的去饱和检测（见表6）。

 

测试	齐纳击穿电压，VZ（五）	检测电压电平，VDS（五）	检测电流水平，ID在 25°C （A） 时	检测电流水平，ID在 125°C （A） 时
低边	5.1	3.27	116	95
高边	4.3	4.07	140	110

 

图表

图18至图20显示了ADuM4136栅极驱动器板的原理图。

图 18.ADuM4136栅极驱动板原理图（初级侧）

图 19.ADuM4136栅极驱动板原理图（用于高端的隔离电源和栅极信号）

图 20.ADuM4136栅极驱动板原理图（用于低侧的隔离电源和栅极信号）

结论

ADuM4136栅极驱动器具有短传播延迟和通过去饱和保护快速过流故障报告的特点。这些优势与适当的外部电路设计相结合，可以满足利用最先进的宽带器件（如SiC和GaN半导体）所能提供的功能的严格要求。

本应用笔记中的测试结果提供了全栅极驱动解决方案的数据，用于在高压下驱动SiC MOSFET模块，具有超快的响应速度，并通过去饱和保护进行充分的故障管理。该栅极驱动解决方案由一款采用 LT3999 构建的低噪声、紧凑、电源转换器供电，该转换器可提供具有足够电压电平的隔离电源、低停机电流和软启动能力。

审核编辑：郭婷