25kW SiC直流快充設計指南(第六部分)：用于電源模塊的柵極驅動(dòng)系統

在本系列文章的第一至第五部分[1-5]中，我們從硬件角度和控制策略上廣泛介紹了25 kW電動(dòng)汽車(chē)充電樁的開(kāi)發(fā)。圖1代表到目前為止所討論的系統。

在第六部分中，我們將注意力轉向驅動(dòng)SiC MOSFET所需的柵極驅動(dòng)電路。由于這些晶體管更加高效和可靠，它們在功率半導體市場(chǎng)中迅速普及。隨著(zhù)市場(chǎng)上的器件越來(lái)越多，設計人員必須了解SiC MOSFET與硅(Si)IGBT和硅超結型(SJ)MOSFET之間的共性和差異，以便用戶(hù)充分利用每種器件。

本文的基礎是使用安森美(onsemi)新型SiC模塊構建25 kW快速電動(dòng)汽車(chē)充電樁獲得的經(jīng)驗。這些模塊使用安森美的M1 1200-V SiC MOSFET。我們將了解如何在大功率應用中設計和調整耦合柵極驅動(dòng)器和SiC MOSFET的組合。

在此設計中，我們將使用安森美的IGBT電流隔離柵極驅動(dòng)器作為起點(diǎn)，并介紹使用新的專(zhuān)用SiC電流隔離柵極驅動(dòng)器進(jìn)行的改進(jìn)。本文介紹的所有柵極驅動(dòng)器系列都采用相同的隔離技術(shù)和輸出級技術(shù)。

圖1.25 kW電動(dòng)汽車(chē)直流充電樁的高級框圖

柵極驅動(dòng)需求：SiC MOSFET、硅IGBT與SJ MOSFET

對于IGBT和MOSFET(硅和碳化硅)，必須對柵極充電才能導通器件，必須對柵極放電才能關(guān)斷器件。對于這兩種情況來(lái)說(shuō)，電流在某種程度上通用，如圖2所示。

圖2.柵極驅動(dòng)電路導通(a)和關(guān)斷(b)時(shí)的電流路徑分別顯示為綠色和紅色箭頭

但是，這三種器件(IGBT、硅SJ MOSFET和SiC MOSFET)的柵極電壓范圍不同。對于IGBT，導通電壓約為15 V，關(guān)斷電壓通常約為-8 V。對于SJ MOSFET，導通電壓約為10 V，關(guān)斷電壓通常為0 V。對于SiC MOSFET，當柵極電壓增加時(shí)，RDS(ON)減小，因此可施加最大柵極電壓以實(shí)現最大效率。因此，柵極導通電壓可以在15 V到20 V之間變化，具體取決于技術(shù)或產(chǎn)品代次。

導通電壓低于15 V時(shí)，SiC MOSFET曲線(xiàn)斜率為負，因此器件很難并聯(lián)。關(guān)斷電壓可以從0 V降低到-5 V。安森美SiC MOSFET可以采用0 V、-3 V或 -5 V阻斷，具體取決于柵極驅動(dòng)器電路的效率和復雜性之間的折衷，有時(shí)候也取決于使用第幾代SiC MOSFET。柵極電壓(或導通電壓)的范圍直接影響柵極驅動(dòng)器所需的欠壓鎖定(UVLO)。

作為第一種方法，IGBT柵極驅動(dòng)器輸出電壓范圍更類(lèi)似于SiC MOSFET的需求，而不是SJ MOSFET的需求。首先，強烈建議在開(kāi)關(guān)應用中使用帶SiC MOSFET(如 IGBT)的負偏壓柵極驅動(dòng)，以便在高di/dt和dV/dt開(kāi)關(guān)期間，減少由非理想PCB布局引入的寄生電感而導致的功率晶體管柵極-源極驅動(dòng)電壓的振鈴。

此外，由于我們的SiC MOSFET的閾值電壓約為1.5 V，負電壓阻斷為噪聲(由dV/dt和di/dt引起)在關(guān)斷狀態(tài)下產(chǎn)生不必要的導通提供了更大的容限。

其次，負電壓阻斷使關(guān)斷狀態(tài)下的漏電流更低。因此，靜態(tài)損耗會(huì )更低。最后，負電壓阻斷比零電壓阻斷的導通和關(guān)斷時(shí)間更快或更短。

為了獲得快速導通和關(guān)斷，或在漏極/集電極電壓瞬變期間保持輸出穩定，輸出驅動(dòng)器級需要非常低的輸出阻抗。驅動(dòng)電流的最大值取決于應用的額定功率，所有類(lèi)型的器件在這一點(diǎn)上都相似。

為柵極充電所需的最大電流取決于

●    所需的柵極電荷量

●    拓撲(硬開(kāi)關(guān)或軟開(kāi)關(guān)，即ZVS)

●    通過(guò)(外部加內部)柵極電阻限制EMI所需的最大 dV/dt

即使(外部加內部)柵極電阻限制了應用中的電流值，驅動(dòng)器能夠提供和吸收的電流也應高于所需最大電流。這將有助于提供安全裕量，在最高工作溫度下保持所需的最大電流，并防止驅動(dòng)器因自發(fā)熱而降低電流能力。

由于SiC MOSFET與IGBT或SJ MOSFET相比，導通和關(guān)斷速度顯著(zhù)提高，SiC器件可以在比硅器件高得多的開(kāi)關(guān)頻率下工作。因此，在半橋配置中，開(kāi)關(guān)節點(diǎn)電壓的變化速率非?？?。使用SiC MOSFET可以實(shí)現高達100 V/ns的dV/dt。驅動(dòng)器應該能夠提供和吸收由米勒電容器(或漏極/集電極和柵極之間的電容)施加到柵極的dV/dt感應的所需電流。在此dV/dt瞬態(tài)期間，柵極驅動(dòng)器輸出信號應始終設定在輸入信號給定的值。

為了補充吸收吸收電流能力或加強米勒效應電流吸收，可以使用柵極箝位。該箝位將以非常低的阻抗加固阻斷電壓，并繞過(guò)阻斷或關(guān)斷柵極電阻。箝位作用時(shí)間從關(guān)斷之后一直到導通的早期開(kāi)始時(shí)為止。該技術(shù)適用于驅動(dòng)大米勒電容器件時(shí)所需功率非常高的情況。我們的25 kW電動(dòng)汽車(chē)充電樁應用就是這樣一個(gè)案例。

此外，在隔離驅動(dòng)器或浮動(dòng)驅動(dòng)器情況下，SiC器件驅動(dòng)器的驅動(dòng)器輸入級和輸出級之間的共模瞬態(tài)抗擾度(CMTI)應強于硅器件驅動(dòng)器。施加的柵極驅動(dòng)電壓應保持穩定。

總而言之，對于所有類(lèi)型的開(kāi)關(guān)，在開(kāi)關(guān)節點(diǎn)、漏極/集電極或驅動(dòng)器輸入級和輸出級之間dV/dt期間，驅動(dòng)器輸出端不應出現毛刺。但是，由于SiC MOSFET的速度更快，因此SiC MOSFET驅動(dòng)器在這些要求(更高的CMTI和dV/dt抗擾度、更高的額定電流和更低的輸出阻抗)方面會(huì )更嚴格。

由于我們采用的半橋架構開(kāi)關(guān)速度很快，因此時(shí)序是一個(gè)重要的關(guān)注點(diǎn)。當器件在半橋中工作時(shí)，需要考慮兩個(gè)時(shí)序參數：從輸入到輸出的傳播延遲以及兩個(gè)驅動(dòng)器或兩個(gè)輸出之間的延遲失配。

對于SiC，由于開(kāi)關(guān)頻率有可能高于100 kHz，因此傳播延遲會(huì )影響占空比精度。失配會(huì )影響兩次開(kāi)關(guān)之間的死區時(shí)間。對于SiC驅動(dòng)器，低于50 ns的傳播延遲和低于10 ns的延遲失配較為合適。

對于高速應用，可使用硅或SJ MOSFET柵極驅動(dòng)器驅動(dòng)SiC MOSFET，它們通常比IGBT驅動(dòng)器更快。但是，這些驅動(dòng)器可能無(wú)法提供所需的輸出電壓范圍。這些驅動(dòng)器的導通電壓(或輸出電壓擺幅)通常受限為15 V。這對于SiC MOSFET來(lái)說(shuō)太低了。此外，大多數硅MOSFET驅動(dòng)器不支持負電壓阻斷。

25 kW應用的具體要求

上升/下降時(shí)間和源/汲電流要求

由于需要控制EMI，我們將限制dV/dt，但也不能過(guò)多，這樣才能縮短死區時(shí)間(或加快導通/關(guān)斷時(shí)間)并實(shí)現高效率。如AND90103/D[6]中所述，其柵極電阻的范圍為2至5 Ω，SiC MOSFET的dV/dt范圍可達20至40 V/ns。因此，選擇柵極電阻時(shí)已考慮了這個(gè)范圍。通過(guò)評估導通/關(guān)斷時(shí)間期間的dV/dt，利用SPICE仿真對柵極電阻值的選擇進(jìn)行了調整和驗證。

電氣隔離

在硬件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，我們遵照IEC-61851標準，該標準要求遵守IEC-60664-1規則。我們假設工作電壓接近最大值1000 V。NCD57000[7] 柵極驅動(dòng)器是一個(gè)不錯的選擇。該驅動(dòng)器的電介質(zhì)強度隔離電壓超過(guò)5 kVrms，工作電壓VIORM能力超過(guò)1200 V，符合UL 1577標準。寬體8毫米爬電距離有助于滿(mǎn)足爬電距離/電氣間隙要求。

特性和保護

以下柵極驅動(dòng)器特性提高了SiC MOSFET電源實(shí)現的穩健性，提高了應用的效率和可靠性。這些主要特性包括：

●    共模瞬態(tài)抗擾度是SiC應用的關(guān)鍵參數。NCD57000 可提供100 kV/μs的抗擾度

●    有源米勒箝位

●    DESAT保護

●    DESAT下的軟關(guān)斷

NCD57000 IGBT驅動(dòng)器集成了所有這些特性。它還包括負驅動(dòng)或負關(guān)斷電壓。

SiC MOSFET的柵極驅動(dòng)器電源

使用SECO-LVDCDC3064-SIC-GEVB[8]隔離電源作為SiC驅動(dòng)電路的電源，可提供所需的-5 V和20 V穩定電壓軌，高效驅動(dòng)SiC晶體管。變壓器安全規范符合IEC 62368-1和IEC 61558-2-16標準，具有4 kVac的電介質(zhì)絕緣特性。

SiC柵極驅動(dòng)器的實(shí)現

DESAT保護計算

按照AND9949/D[9]計算SiC晶體管的去飽和電流。使用14.3 kΩ的電阻將DESAT電流設置為在85至115 A范圍內觸發(fā)(圖3)。在原型階段對DESAT電流進(jìn)行評估和微調。

已考慮了以下因素：

VTH = 9.0 V，RDS(ON) = 11 mΩ(100 A時(shí))，US1MFA，VF =309.5 mV(500 μA時(shí))(仿真)。

置于DESAT引腳上的22 pF電容可使消隱時(shí)間增加430 ns，以獲得880 ns的總消隱時(shí)間。數據手冊中給出的內部濾波時(shí)間為320 ns，因此對去飽和事件的總反應時(shí)間等于1.2 μs。加上關(guān)斷SiC晶體管所需的時(shí)間，DESAT動(dòng)作所需的總時(shí)間低于2.0 μs。

圖3.柵極驅動(dòng)器NCD57000與DESAT功能元件(計算值)連接

通過(guò)仿真驗證SiC MOSFET開(kāi)關(guān)

PFC以及DC-DC功率級仿真模型包括一個(gè)柵極驅動(dòng)器模型，以評估柵極-源極電阻RG1 = 1.8 Ω和RG2 = 100 kΩ 的開(kāi)關(guān)性能(參見(jiàn)圖4以了解RG1和RG2的定義或位置)。

在本例中，只有 RG1對SiC MOSFET柵極電容的放電起作用。PFC模型包含三個(gè)半橋SiC模塊以及柵極驅動(dòng)器。但是圖4中只顯示了一個(gè)半橋連接。SiC模塊SPICE模型參見(jiàn)本系列文章的第三部分[3]。

圖4.PFC相A的功率級和柵極驅動(dòng)器模型

驅動(dòng)器級對系統性能影響顯著(zhù)(對于基于SiC的系統來(lái)說(shuō)更是如此)。因此，強烈建議將其納入仿真——至少在某種程度上。

挑戰之一是，現有的柵極驅動(dòng)器模型通常非常復雜，它們會(huì )減慢仿真速度，增加仿真運行時(shí)間，因為它們包含了驅動(dòng)器的所有特性(如UVLO、箝位和DESAT等)。一般來(lái)說(shuō)，對于功率級仿真，更具體地說(shuō)，對于本項目的目標，柵極驅動(dòng)器的簡(jiǎn)化模型就足夠了。我們構建的模型只包括傳播延遲和輸出級特性或性能。

盡管在各種驅動(dòng)器的數據手冊中通常并未直接提供詳細的I-V特性，但對于某些給定點(diǎn)，使用額定驅動(dòng)器輸出能力(吸收吸收電流IPK-SNK1和輸出電流IPK-SRC1峰值電流，具體請參見(jiàn)NCD57001數據手冊[10])，結合傳播延遲信息，即可得到輸出特性的近似值。該近似方法提高了仿真準確性，同時(shí)仍能提供可接受的仿真時(shí)間。圖5顯示了基于數據手冊中的值創(chuàng )建的NCD57001柵極驅動(dòng)器SPICE模型。

圖5.基于數據手冊值的NCD57001 SPICE簡(jiǎn)化模型

關(guān)轉換的仿真：導通和關(guān)斷

評估PFC級開(kāi)關(guān)性能的關(guān)鍵參數之一是開(kāi)關(guān)轉換速度(見(jiàn)圖6)，換言之，即MOSFET的dV/dt。理論上，開(kāi)關(guān)轉換速度越快，表現出的開(kāi)關(guān)損耗越低，效率越高。

但是，開(kāi)關(guān)速度還受其他因素的限制。例如，晶體管本身對如此高的梯度變化以及由快速轉換產(chǎn)生的EMI或其他共模(CM)噪聲的耐受能力。

布局本身以及寄生電感和寄生電容也對其增加了限制。

圖6.PFC級MOSFET的導通波形

圖7在本模擬中給出的配置下，dV/dt值超過(guò)了66 V/ns，唯獨寬禁帶技術(shù)才能對應這樣的高速開(kāi)關(guān)。實(shí)際上，如此高的dV/dt仍然會(huì )有高風(fēng)險(即使是SiC模塊)，寄生電感產(chǎn)生的超高過(guò)壓尖峰可以輕易的超過(guò)器件的耐壓上限。

圖7.低壓側相A SiC MOSFET導通速度是輸入電壓與電感和輸出電容值的函數

調整柵極電阻是最簡(jiǎn)單的方法來(lái)減少dV/dt。更大的柵極電阻值能減少開(kāi)關(guān)速度，同時(shí)減少整體設計的風(fēng)險，但也會(huì )帶來(lái)缺點(diǎn)，即少許的功率損失(因為開(kāi)關(guān)速度沒(méi)有那么快)。

基于這項仿真的結論，我們決定做一個(gè)折中方案，換一顆阻值大一點(diǎn)的柵極電阻(1.8 Ω—>4.7 Ω)以確保MOS管導通時(shí)的dV/dt在25 V/ns左右。這將作為驗證實(shí)際硬件板時(shí)的初始值。

按照類(lèi)似方法處理關(guān)斷轉換。圖8和9顯示了這些仿真的結果。采用1.8 Ω柵極吸收電流電阻(與導通仿真中使用的值相同)，關(guān)斷轉換速度也很快(高達40 V/ns)。在原型設計中，將吸收電流電阻值增加至3.3 Ω，以將關(guān)斷轉換調整到25 V/ns左右。

圖8.低壓側相A SiC MOSFET關(guān)斷速度是輸入電壓與電感和輸出電容值的函數

圖9.PFC級MOSFET的典型關(guān)斷波形

PCB布局和建議

為了消除或最小化PCB寄生效應，SiC驅動(dòng)電路布局在SiC電源設計中至關(guān)重要。良好布局安排的一些建議和示例如圖10和11所示。輸出電流、吸收電流和箝位走線(xiàn)(見(jiàn)圖10)應盡可能短。通過(guò)VDD和VEE去耦電容閉合輸出/吸收電流路徑(如圖10所示)。它們必須盡可能靠近VDD和VEE柵極驅動(dòng)器引腳放置，如圖11所示。

電容值應當足夠大，以便在維持VDD和VEE電平的同時(shí)，能夠饋送吸收電流和源電流峰值。這些去耦電容還應該具有非常小的寄生效應，并且是高頻電容。

圖10.SiC柵極驅動(dòng)電路PCB布局。箭頭分別以綠色、紅色和淺藍色顯示源電流、吸收電流和箝位電流路徑

圖11.建議放置VEE和VDD去耦電容

SiC柵極驅動(dòng)的未來(lái)增強功能

以上討論的NCD570xx IGBT柵極驅動(dòng)器系列足以滿(mǎn)足SiC MOSFET柵極驅動(dòng)器在大功率應用中的要求。然而，使用先進(jìn)的電流隔離變壓器版本，可以獲得更快的傳輸時(shí)間和更小的延遲失配。

結合這一改進(jìn)，新款NCP5156x[11]柵極驅動(dòng)器系列也可用于驅動(dòng)SiC MOSFET。柵極電壓范圍已調整為符合每一代的SiC MOSFET柵極開(kāi)/關(guān)電壓；并且已針對柵極電壓范圍的值調整了UVLO。

NCP5156x系列的主要特性包括36 ns(典型值)的傳播延遲。每個(gè)通道的最大延遲匹配時(shí)間為8 ns；輸出電源電壓范圍為6.5 V至30 V，支持5 V、8 V和17 V UVLO閾值電壓，CMTI >200 V/ns；從輸入到每個(gè)輸出的電隔離為5 kVrms(UL 1577額定值)，輸出通道之間的峰值差分電壓為1200 V；用戶(hù)可編程死區時(shí)間和4.5 A/9 A源電流峰值和吸收電流峰值(圖12)。

圖12.NCP51561框圖

當輸出級只提供單個(gè)電源(或單極性)軌時(shí)，下述原理圖利用齊納二極管，可獲得正負電源(或雙極性)電壓(見(jiàn)圖13)。

圖13.在單端隔離偏置電源上使用齊納二極管的負偏壓

圖14顯示了在SiC MOSFET柵極驅動(dòng)應用的NCP51561的單端隔離電源上，利用齊納二極管實(shí)現負偏壓的實(shí)驗結果。該示例設計旨在通過(guò)使用20 V隔離電源，以器件源極為基準電壓源，提供+15 V和-5.1 V的驅動(dòng)能力。

圖14.在單端隔離電源上使用齊納二極管實(shí)現負偏壓的實(shí)驗波形(其中，CH1：輸入[2 V/div]，CH2：輸出[5 V/div])

由于NCP5156x IC為集成米勒箝位電路，因此更推薦將其用于低功率SiC MOSFET應用。對于數十千瓦級以上的功率，推薦使用本文所示的米勒箝位。為此，我們將推出具有擴展柵極電壓范圍的新器件NCD57100和NCD57101(分別與NCD57000和NCD57001引腳兼容)。

這種新的擴展柵極電壓范圍更適合驅動(dòng)SiC MOSFET。在新器件NCD571xx中，該范圍最高可達36 V，而在本25 kW電動(dòng)汽車(chē)充電樁應用中使用的NCD570xx則為25 V。

總結

本文詳細介紹了在25 kW功率應用中針對SiC MOSFET設計和調整柵極驅動(dòng)器時(shí)必須考慮的因素。本文從現有的NCD57001 IGBT電隔離柵極驅動(dòng)器入手，進(jìn)而講解了在專(zhuān)用SiC電隔離柵極驅動(dòng)器中所做的改進(jìn)，并介紹了用于驅動(dòng)SiC MOSFET的新器件系列NCP5156x和NCD571xx。

SiC MOSFET的速度比現有的硅MOSFET和IGBT快很多。因此，SiC MOSFET驅動(dòng)器需要更高的共模瞬態(tài)抗擾度和dV/dt抗擾度、更高的額定電流和更低的輸出阻抗。利用本文中提到的器件、技巧和竅門(mén)，設計人員可以實(shí)現其應用所需的SiC MOSFET驅動(dòng)器的性能。

本系列文章共包含八個(gè)部分，接下來(lái)我們將陸續發(fā)布第七和第八部分。