使用ADuM4136隔離式柵極驅動(dòng)器和LT3999 DC/DC轉換器驅動(dòng)1200 V SiC電源模塊
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本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/201912/408018.htm電動(dòng)汽車(chē)、可再生能源和儲能系統等電源發(fā)展技術(shù)的成功取決于電力轉換方案能否有效實(shí)施。電力電子轉換器的核心包含專(zhuān)用半導體器件和通過(guò)柵極驅動(dòng)器控制這些新型半導體器件開(kāi)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MHz范圍的快速切換速度。這些提高了柵極驅動(dòng)器的性能要求，例如，，通過(guò)去飽和以得到更短的傳輸延遲和改進(jìn)的短路保護。
本應用筆記展示了ADuM4136 柵極驅動(dòng)器的優(yōu)勢，這款單通道器件的輸出驅動(dòng)能力高達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的快速故障管理功能。
與Stercom Power Solutions GmbH協(xié)作開(kāi)發(fā)，用于SiC功率器件的柵極驅動(dòng)單元(GDU)展現了ADuM4136 的性能（參見(jiàn)圖1）。電路板采用雙極性隔離電源供電，其基于使用LT3999 電源驅動(dòng)器構建的推挽式轉換器。此單片式高壓、高頻、DC/DC轉換驅動(dòng)器包含具有可編程限流功能的1 A雙開(kāi)關(guān)，提供高達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金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管(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。
本應用筆記評估了該解決方案生成的死區時(shí)間，并分析研究GDU引入的總傳播輸延遲。通過(guò)去飽和檢測，測試了對SiC器件的過(guò)載和短路保護功能。
測試結果表明，該解決方案響應快速。
圖 1. G D U
測試設置
用于報告測試的完整設置如圖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)，在去飽和保護測試過(guò)程中可將其連接至電源模塊的高邊或低邊。表1總結了測試設置功率器件。
圖 2. 測 試 設 置 原 理 圖
表1.測試設置功率器件
| 器件 | 值 |
| V1 | 0 V至1000 V |
| C1 | 1.2 mF |
SiC電源模塊 (FF23MR12W1M1_B11) | 1200V、 23mΩ |
| L1 | 38μH |
圖4中所示的GDU接收來(lái)自脈沖波發(fā)生器的開(kāi)關(guān)信號。這些信號傳送至死區時(shí)間產(chǎn)生電路，由LT1720超快、雙通道比較器來(lái)實(shí)現，比較器的輸出饋入兩個(gè)ADuM4136 器件。 ADuM4136 柵極驅動(dòng)器向柵極端發(fā)送隔離信號，并從電源模塊中的兩個(gè)SiC MOSFET的漏極端接收隔離信號。 柵極驅動(dòng)器的輸出級由推挽式轉換器提供隔離電源，該轉換器使用了由外部5 V直流電源供電的LT3999 DC/DC驅動(dòng)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(xiàn)性穩壓器供電。
圖3展示了實(shí)驗連接設置，表2描述了去飽和保護測試中使用的設備。
表2.測試設置設備
| 設備 | 制造廠(chǎng)商 | 產(chǎn)品型號 |
| 示波器 | Rohde & Schwarz | HMO3004, 500 MHz |
| 直流電源 | Komerci | QJE3005EIII |
| 柵極驅動(dòng)單元(GDU) | Stercom | SC18025.1 |
| 脈沖波發(fā)生器 | IB Billmann | PMG02A |
| 數字萬(wàn)用表(DMM) | FLUKE | Fluke 175 |
| 高壓差分探針 | Testec | TT-SI 9010 |
AC Rogowski 電流探針 | PEM | CWT mini |
圖 3. 測 試 設 備 連 接 圖
測試結果
死區時(shí)間和傳輸延遲
硬件死區時(shí)間由GDU引入，以避免半橋電源模塊中出現短路，這在打開(kāi)或關(guān)閉高邊和低邊SiC MOSFET時(shí)可能會(huì )發(fā)生（請參見(jiàn)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，在底部驅動(dòng)器的信號鏈上測量死區時(shí)間，其由GDU 信號的（有效低電平）輸入激發(fā)。 死區時(shí)間通過(guò)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（低端驅動(dòng)器）
| 符號 | 信號功能 | 通道號 |
| VGS_B | MOSFET柵極 | 2 |
| 比較器后 | 3 | |
| GDU輸入 | 4 |
當輸入信號被拉低時(shí)，比較器將其延遲輸出狀態(tài)從高變?yōu)榈?，死區時(shí)間由RC電路確定（~160 ns，參見(jiàn)圖5）。
當SiC MOSFET關(guān)斷，且輸入信號被拉高時(shí)，與SiC MOSFET開(kāi)啟時(shí)測量的延遲時(shí)間相比，延遲時(shí)間可以忽略不計(~20 ns)，如圖6所示。
開(kāi)啟和關(guān)斷時(shí)在死區時(shí)間生成和VGS_B信號切換后測得的延遲時(shí)間如圖7和圖8所示。這些延遲時(shí)間比較短暫，分別為66 ns和68 ns，是由ADuM4136。引入的延遲。
開(kāi)啟時(shí)的總傳輸延遲時(shí)間（死區時(shí)間加上傳輸延遲）約為226 ns，關(guān)斷時(shí)的總傳輸延遲時(shí)間約為90 ns。表4總結了傳輸延遲時(shí)間的結果。
圖 4. G D U 信 號 鏈
表4.傳播延遲測試結果
| 事件 | 切換信號，高-低 | 切換信號，低-高 | 死區時(shí)間(ns) | 驅動(dòng)器延遲時(shí)間(ns) | 總傳輸延遲時(shí)間(ns) |
| 器件開(kāi)啟 | 柵極信號 | 160 | 66 | 226 | |
| 器件關(guān)斷 | 22 | 68 | 90 |
圖5.死區時(shí)間測量，器件開(kāi)啟
圖6.死區時(shí)間測量，器件關(guān)斷
圖7.延遲時(shí)間測量，器件開(kāi)啟
圖8.延遲時(shí)間測量，器件關(guān)斷
去飽和保護
避免驅動(dòng)開(kāi)關(guān)高壓短路的去飽和保護功能集成在A(yíng)DuM4136 IC上。
在此應用中，每個(gè)柵極驅動(dòng)器間接監控MOSFET的漏極至源極引腳的電壓(VDS)，檢查并確認其DESAT引腳的電壓(VDESAT)不超過(guò)介于8.66 V至9.57 V之間的基準去飽和電壓電平VDESAT_REF（VDESAT_REF = 9.2 V，典型值）。此外，VDESAT的值取決于MOSFET操作和外部電路：兩個(gè)高壓保護二極管和一個(gè)齊納二極管（參見(jiàn)表6和原理圖部分）。
VDESAT的值可通過(guò)以下等式計算：
VDESAT = VZ + 2 × VDIODE_DROP + VDS
其中：
VZ是齊納二極管擊穿電壓。
VDIODE_DROP是每個(gè)保護二極管的正向壓降。
在關(guān)斷期間，DESAT引腳在內部被拉低，未發(fā)生飽和事件。此外，MOSFET電壓(VMOSFET)高，且兩個(gè)二極管反向偏置，以保護DESAT引腳。
在接通期間，DESAT引腳在300 ns內部消隱時(shí)間后釋放，兩個(gè)保護二極管正向偏置，齊納二極管出現故障。在這里，VDESAT電壓是否超出VDESAT_REF值取決于VDS的值。
正常工作時(shí)，VDS和VDESAT電壓一直很低。當高電流流經(jīng)MOSFET時(shí)，VDS電壓增大，導致VDESAT電壓電平升至VDESAT_REF以上。
在這種情況下，ADuM4136 柵極驅動(dòng)器輸出引腳(VOUT)在200 ns內變?yōu)榈碗娖讲⑷ワ柡蚆OSFET，同時(shí)生成延遲<2 μs的信號，使柵極驅動(dòng)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VDS的值，并可通過(guò)選擇具有擊穿電壓VZ的合適齊納二極管設定為任何電平。反過(guò)來(lái)，可根據MOSFET制造商數據手冊中所述的VDS來(lái)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測試。通過(guò)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VDESAT_REF = 9.57 V（最大值），標稱(chēng)VDIODE_DROP = 0.6 V。
低 邊 測 試
25°C室溫下，通過(guò)在100 V至800 V的范圍內改變輸入電壓(V1)，進(jìn)行了低邊去飽和保護測試（參見(jiàn)圖9）。
圖 9. 低 邊 去 飽 和 保 護 測 試
圖10至圖17顯示低邊去飽和保護測試的結果。表5說(shuō)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）
| 通道號 | 信號名稱(chēng) |
| 1 | FAULT |
| 2 | VDS |
| 3 | ID |
| 4 | VGS |
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，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(lèi)似測試，其中在25°C下對~160 A的電流觸發(fā)了去飽和保護，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果表明，柵極驅動(dòng)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(gè)電流值接近設定的電流值（參見(jiàn)表4）。
表6.去飽和保護測試的計算條件
| 測試 | 齊納擊穿電壓, VZ (V) | 檢測電壓電平， VDS (V) | 檢測電流電平， ID ，25°C (A) | 檢測電流電平，ID ， 125°C (A) |
| 低邊 | 5.1 | 3.27 | 116 | 95 |
| 高邊 | 4.3 | 4.07 | 140 | 110 |
圖10.低邊測試，V1 = 100 V，無(wú)故障
圖11.低邊測試，V1 = 200 V，無(wú)故障
圖12.低邊測試，V1 = 300 V，無(wú)故障
圖13.低邊測試，V1 = 400 V，無(wú)故障
圖14.低邊測試，V1 = 500 V，無(wú)故障
圖15.低邊測試，V1 = 600 V，無(wú)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 柵極驅動(dòng)器板的原理
圖18.ADuM4136 柵極驅動(dòng)板原理圖（初級端）
圖19.ADuM4136 柵極驅動(dòng)板原理圖（隔離電源和高邊柵極信號）
圖20.ADuM4136 柵極驅動(dòng)板原理圖（隔離電源和低邊柵極信號）
結論
ADuM4136 柵極驅動(dòng)器能夠通過(guò)去飽和保護上報短傳輸延遲和快速過(guò)流故障。這些優(yōu)勢結合適當的外部電路設計，可滿(mǎn)足使用SiC和GaN等先進(jìn)寬禁帶半導體器件應用的嚴格要求。
本應用筆記中的測試結果是全柵極驅動(dòng)解決方案在高電壓下驅動(dòng)SiC MOSFET模塊的數據，并通過(guò)去飽和保護功能提供超快響應和相應的故障管理。此柵極驅動(dòng)解決方案由LT3999， 構建的緊湊、低噪聲功率轉換器供電，其提供具有適當電壓電平的隔離電源以及低關(guān)斷電流和軟啟動(dòng)功能。
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