鱼与熊掌皆可得？当SiC MOSFET遇上2L-SRC

引言

事物皆有两面：SiC MOSFET以更快的开关速度，相比IGBT可明显降低器件开关损耗，提升系统效率和功率密度；但是高速的开关切换，也产生了更大的dv/dt和di/dt，对一些电机控制领域的电机绝缘和EMI设计都带来了额外的挑战。

 

应用痛点

氢燃料系统中的高速空压机控制器功率35kW上下，转速高达10万转以上，输出频率可达2000Hz，调制频率50kHz以上是常见的设计，SiC MOSFET是很好的解决方案。

 

但是，SiC的高dv/dt和谐波会造成空压机线包发热和电机轴电流。

 

一般的对策有二：

1.采用大的栅极电阻去驱动SiC MOSFET，抑制dv/dt，但会显著增加开关损耗，影响效率。

2.采用输出滤波器抑制谐波电流、降低电机侧的dv/dt，但体积会占控制器的三分之一以上，增加成本，同时滤波器的引入也会造成一定损耗。

 

以上两种典型设计，以牺牲损耗和效率为代价，似乎“鱼与熊掌，不可兼得”……

 

英飞凌解决方案

 

针对上述设计痛点，英飞凌创新地推出了2L-SRC系列驱动IC，结合SiC开关特性进行Rg的优化配置，以期两全之美，具体过程请看下文分解：

 

SiC开关特性

 

图1是SiC的开关特性示意图，描述了dv/dt与Ic，dv/dt与Rg，Esw与Rg之间的关系

 

图1(a)

图1(b)

 

由上图1的曲线可知：SiC的dv/dt最大值会出现在小电流开通和大电流关断的时候，通过增加Rgon和Rgoff可以分别降低开通和关断的dv/dt最值，但是SiC的开关损耗Esw将随之增加。

 

利用2L-SRC的解题思路

 

其实解题之术不难。去年英飞凌业就推出了2L-SRC的驱动IC，结合电机控制领域的IGBT开关特性，提出小电流用大Rg，大电流用小Rg的方法来解决(具体请参考文末的AN文档)。

 

此处我们依然可以借鉴其思路，针对SiC MOSFET开关特性，展开相应的Rg优化策略。

 

为了便于大家理解整个过程，本文依据图1的SiC趋势曲线，假定了图2和图3中的相关曲线，作为后续2L-SRC驱动IC优化Rg和电路仿真分析的基础。

 

(图2和图3曲线基于合理性假设，仅供原理参考，真实曲线应以SiC实测为准。)

 

优化配置dv/dt(on)时的开通电阻Rgon策略

 

图2.1200V SiC MOSFET dv/dt(on)与Ic关系曲线

 

由SiC开通dv/dt特性，假设Rgon=5Ω和Rgon=10Ω两条曲线，和预设的dv/dt限制值如图2；可根据输出电流Ic大小，将Rgon分成两部分，在电流Id=[0,50A]的区间采用Rgon=10Ω开通，在电流=[50A,200A]的区间换成Rgon=5Ω开通。相比传统驱动方案(全电流范围都要用Rgon=10Ω)，可以在中大电流区间(50A,200A]获得小电阻开通的Eon损耗优势。

 

优化配置dv/dt(off)时的关断电阻Rgoff策略

 

图3.1200V SiC MOSFET dv/dt(off)与Ic关系曲线

 

同样由SiC关断dv/dt特性，我们也可以把电流区间一分为二，如下图假设的条件曲线，在电流=[133A,200A]采用大电阻Rgoff=12Ω关断，而在电流=[0A,133A]采用小电阻Rgoff=6Ω关断。相比传统驱动方案(全电流范围都要用Rgoff=12Ω)，可以在中小电流区间[0A,133A]获得小电阻关断的Eoff损耗优势。

 

优化配置dv/dt的驱动策略小结

 

根据上述案例分析，优化了驱动电阻Rg控制策略，将电流分成了小电流、中电流、大电流的三部分区间，分别对应不同的门极电阻设置，然后在预定的电流阈值进行Rgon和Rgoff的切换，以达到优化驱动的目的，如下图所示:

 

图4.基于图2和图3的驱动电阻Rg控制策略

 

基于2L-SRC的驱动电路实现

 

依据上述的思路和流程，相关的驱动电阻Rg配置策略不难得到。

 

古人云“工欲善其事，必先利其器”，如何用2L-SRC驱动IC来实现呢？

 

2L-SRC驱动IC产品与功能简介

 

图5.2L-SRC(1ED3240MC12H)功能框图

 

2L-SRC的典型功能框图，如图5所示，简洁的8pin设计。只是在常规IN输入和OUT输出之外，又增加了一组OUTF输出。根据/INF信号与IN信号电平之间的逻辑关系，可以灵活配置OUTF状态，在常规OUT输出的开通和关断时刻发生作用。

 

结合下图，可以更直观理解2L-SRC驱动IC外接门极电阻时，主要的四种状态：
 

 

图6.2L-SRC(1ED3240MC12H)驱动电阻Rg配置示意图

 

当OUTF仅在开通时使能，则开通电阻Rgon=R1//R3，关断电阻Rgoff=R2；

当OUTF仅在关断时使能，则关断电阻Rgoff=R2//R4，开通电阻Rgon=R1；

当OUTF同时开通和关断使能，则开通电阻Rgon=R1//R3，关断电阻Rgoff=R2//R4；

当OUTF开通和关断皆不使能，则开通电阻Rgon=R1，关断电阻Rgoff=R2；
 

 

有关OUTF与控制信号/INF和输入信号IN之间的状态关系，如图7所示，规格书有详尽解读，这里就不赘述了：

 

图7.OUTF与输入IN和控制/INF之间的状态关系图((1ED3240MC12H))

 

关于OUTF的核心逻辑就是：

 

开通时刻，在输入信号IN电平跳高时，/INF信号为低电平(0)，则OUTF在开通时刻使能；

关断时刻，在输入信号IN电平跳低时，/INF信号为高电平(1)，则OUTF在关断时刻使能。

 

2L-SRC驱动的Rg配置(基于图4控制策略)

 

基于2L-SRC驱动IC的控制逻辑，和上述SiC案例中的的驱动电阻Rg优化控制策略，我们可以进一步将2L-SRC驱动IC的配置细化如下：

 

图8.基于图4的2L-SRC(1ED3240MC12H)驱动电阻Rg示意图

 

基于图8的驱动电阻配置可得：R1=10Ω,.R2=12Ω, R3=10Ω,R4=12Ω

 

最终的驱动和控制策略如下：

 

当电流=[0,50A]时，/INF为波形序列A，OUTF只在关断时刻使能，此时Rgon=R1=10Ω，Roff=R2//R4=12//12=6Ω；

当电流=(50A,133A]时，/INF为波形序列B，OUTF在开通和关断时刻皆使能，此时Rgon=R1//R3=10//10=5Ω，Rgoff=R2//R4=12//12=6Ω；

当电流=(133,200A]时，/INF为波形序列C，OUTF只在开通时刻使能，此时Rgon=R1//R3=10//10=5Ω，Rgoff=R2=12Ω；

 

PS：为了实现在不同电流区间，给出不同的/INF波形序列，或增加一路简单的控制闭环。例如，对输出电流值进行实时采样或估算，判断瞬时电流所在电流区间，然后通过上位机(如CPLD、DSP等)给出对应的信号，到驱动IC的/INF引脚。

 

应用案例仿真参考

 

基于上述2L-SRC的可变Rg配置策略，我们搭建了PLECS电路，参考高速空压机的应用条件，选取了SiC半桥模块，进行两电平三相逆变电路的仿真验证和对比。

 

相关仿真条件如下：

 

SiC Easy半桥模块：FF6MR12W2M1_B70 (1200V/200A AlN)

散热器温度Th=50C,Fsw=50kHz,fo=1kHz, Io=142Arms,Vdc=600V,Modi=1.0,SVPWM,PF=0.95

传统驱动方案:Rgon=10Ω,Rgoff=12Ω，Rg全范围固定阻值

2L-SRC驱动方案：Rgon=5、10Ω,Rgoff=6、12Ω,Rg随电流区间切换(图8)
 

 

图9.传统Rg控制与2L-SRC Rg控制的仿真结果对比

 

全文总结

 

文章结合SiC开关特性和2L-SRC驱动IC的Rg优化配置，再加上基于一定合理性假设的SiC案例分析，以及最后的仿真对比，效果已然呈现。

 

回顾开题：2L-SRC+SiC，鱼与熊掌皆可得乎？想必大家心中已有答案。