一种软件可配置的SiC MOSFET门驱动方法

SiC 技术已广泛应用于电动汽车、工业、可再生能源/电网和其他应用的中压和高压应用中。为了充分发挥其优势，系统开发人员必须首先抵消其更快的开关速度带来的不良副作用。

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由于基于 SiC 的系统设计的复杂性不断增加，传统栅极驱动器不足以解决这些与 SiC 相关的挑战。这些传统栅极驱动器专为与速度慢得多的硅绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 配合使用而设计。

 

想要实现更快的上市时间、灵活性以及改进的设计能力的基于SiC(碳化硅)的系统开发者们，现在转而使用智能的、可配置的数字门控驱动器。这些驱动器也使得他们能够轻松地从键盘操作的舒适便捷中优化开关性能，而不是通过重新旋转系统板或在其上焊接门电阻来实现。

 

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使用 SiC 技术的设计人员在设备的高效驱动和安全控制方面面临着动态的新挑战。

 

由于 SiC 的开关速度比硅快得多，随之而来的更快的电压和电流转换带来了挑战或二次效应，这可能会导致潜在的噪声和电磁干扰 (EMI) 以及振铃、过压和过热。除非开发人员采用仔细的电路设计和滤波等缓解措施，否则这些影响可能会导致设备故障、不必要的噪声、系统性能降低和其他问题。

图1

 

使用硅 IGBT 的系统设计人员通常不必花费太多时间来减轻此类二次效应，而可以通过使用传统的模拟栅极驱动器来实现。使用采用 SiC 技术的传统模拟栅极驱动器会导致效率低下，因为在故障情况下需要显着更快的响应时间。模拟栅极驱动器也很难修改以优化开关操作和性能。

 

数字栅极驱动器解决了这些挑战，同时还提供强大的短路保护。使用栅极驱动配置文件的软件可配置方法是最新数字栅极驱动器的关键要素。这种方法允许根据应用标准(从功率水平、开关频率到负载条件)以数字方式配置 SiC 功率器件开关特性，以实现最佳效率。

 

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mSiC 和可配置增强交换技术的优势

 

当今数字栅极驱动器的最大优势之一是可以通过可配置的开启和关闭开关配置文件对其进行增强。这使得设计人员能够将开关损耗降低高达 50%，并将 V DS过冲降低高达 80% 。

 

Microchip 的 mSiC 栅极驱动器解决方案采用增强型开关技术，提供涵盖控制开通和关断栅极电压及其持续时间的各个步骤的栅极驱动配置文件。设计人员可以通过软件轻松快速地以数字方式修改这些配置文件，以满足其特定的应用需求，而无需更改硬件。该技术还包括独立的短路响应和强大的故障监控/检测。

图2

 

图中显示了这种类型的栅极驱动器如何工作来实现可配置的关断开关。每列的顶部图像是智能可配置工具 (ICT) 的图形编辑器，底部图像是带有关闭波形的示波器拍摄结果。左图显示了传统开关(增强关闭功能被禁用)。中间的图显示了一种增强关闭设置的应用，第三张图显示了第二种关闭选项。每种情况下的条件均为 600 VV DS和 400 AI DS，栅极电阻为 1.1 Ω。

图3

 

第三张图显示了所需的结果：V过冲峰值降低至 712V，同时电压和电流振铃降低。这是通过以下方式实现的：从 20V 的级上电压开始，继续达到 4.5V 的可配置中间电平，并在下降到 -5V 关断电压之前保持 650 纳秒 (ns)。关断能量增加至 16 mJ，以减少 V过冲和振铃 (EMI)。

 

除了提供可配置的配置文件外，当今的解决方案还包含额外的故障监控检测级别和短路响应。这些功能共同为设计人员提供了多层控制和保护，以确保安全、可靠的运行。

 

对于许多使用 SiC MOSFET 的设计人员来说，问题不在于是否使用智能数字栅极驱动器，而是根据自己的需求从头开始构建一个驱动器，或者使用即插即用的栅极驱动器解决方案。有多种选择可供考虑。

 

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实施内部或即插即用栅极驱动器解决方案的设计注意事项

 

开发人员可以利用软件可配置的 ±V GS栅极电压创建功能齐全的 SiC MOSFET 栅极驱动解决方案。这可以使用由模块适配器板支持的数字栅极驱动器内核来完成，从而促进评估和开发。完整的数字栅极驱动器开发套件也可用于实现此目的。

 

一些系统开发人员不具备构建解决方案的内部设计工程技能，并且上市时间压力需要能够更快实施的解决方案。在这些情况下，可以使用栅极驱动器板来使用即插即用方法，例如 Microchip 的即插即用 mSiC 栅极驱动器，该驱动器板可通过预配置的模块设置开箱即用。这些板由编程套件和 ICT 软件支持，可根据应用需求进行额外优化，无论是重型车辆和辅助电源装置 (APU) 还是充电、存储、逆变器和感应加热系统。

图4

 

即插即用栅极驱动器的另一个好处是它们已经符合行业特定标准，并且比其他方法更容易组装。它们简化了成本和开发，同时消除了供应链中断的风险。

例如，LinPak开放标准功率半导体封装已被大量模块制造商采用。它包括低压 (LV) LinPak 模块和用于隔离式 SiC MOSFET 模块的最新高压 (HV) 版本。

 

后者以 LV 变体的成功为基础，具有相同的低杂散电感、并联性能和高功率密度。这种双(或相脚)高压模块具有众多优点，其中将主电源端子定位在封装的每一侧，因此栅极单元可以方便地放置在模块的中间，并且其 DC+ 和 DC- 端子分布最大限度地减少了换向电感。

 

为了支持这些低压和高压模块，当今的即插即用栅极驱动器经过预先配置和优化，可在铁路牵引、电池充电、智能电网和 UPS 系统等应用中“开箱即用”工作。工业电机驱动器和重型设备。以 3.3 kV HV LinPak 模块为例，当今的数字栅极驱动器采用可配置的开关配置文件来监控故障报告并改进对基于 SiC MOSFET 的电源系统的控制。它们支持 10.2 kV 初级到次级隔离、可配置的打开/关闭开关配置文件以及隔离温度和直流链路监控。

 

在图4所示的示例中，智能隔离栅极驱动器符合铁路应用的多项关键标准，包括确保恶劣环境下可靠性的EN50155、用于EMC保护的EN50121-3-2和EN61000-6-4、用于冲击的EN 61373和抗振性，以及 EN 45545-2 消防安全分类的危险等级 (HL) 2。

 

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从电气化到电网现代化的转变

 

宽带隙碳化硅技术已经在万物电气化方面发挥着关键作用。它将很快解决其他重大挑战，例如需要进行电网检修，以实现必要的全向功率流，以简化收集的能量通过分配到最终调节和使用的方式。

 

使用软件可配置的SiC MOSFET 栅极驱动方法将更容易解决这些和其他挑战 。这种方法减少了开关损耗和振铃，同时提高了系统功率密度，超出了使用标准模拟 MOSFET 栅极驱动器所能达到的水平，以减轻 SiC 技术的二次效应。开发人员拥有多种使用 mSiC 栅极驱动器的构建或购买选项，从模块适配器板支持的数字栅极驱动器内核到为广泛采用的模块封装预先配置的即插即用解决方案，帮助开发人员和设计人员轻松采用 SiC 、速度和信心。