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  碳化硅 (SiC) MOSFET在功率電子領(lǐng)域迅速普及。同時(shí)，為了在汽車和電動(dòng)車的三相逆變器中加強(qiáng)SiC的應(yīng)用，SiC器件的電壓電流能力需要顯著提高。提高電壓等級(jí)需要提升SiC芯片本身的設(shè)計(jì)，而提高電流能力在大多數(shù)情況下則需要在單個(gè)功率模塊中并聯(lián)多個(gè)SiC芯片。模塊經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，在高電流、散熱、寄生組件管理和使用壽命之間實(shí)現(xiàn)了平衡。

  RoadPak SiC MOSFET 1.2kV模塊完美滿足上述要求，其采用半橋配置，每側(cè)可并聯(lián)多達(dá)10個(gè)SiC MOSFET芯片，支持大電流。

  為了充分利用SiC MOSFET技術(shù)實(shí)現(xiàn)的低損耗，應(yīng)用層面必須實(shí)現(xiàn)高速切換，以降低開(kāi)關(guān)損耗，提高效率。然而，在實(shí)踐中，功率半導(dǎo)體器件的開(kāi)通和關(guān)斷面臨一系列困難，需要仔細(xì)設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)。模塊的柵極驅(qū)動(dòng)單元需要與功率模塊完美協(xié)調(diào)，不僅要平衡柵源電壓的性能，還要能驅(qū)動(dòng)基本的安全特性，為逆變器的運(yùn)行提供安全的機(jī)制。

  此外，柵極驅(qū)動(dòng)單元還具備智能化的特色和控制方法，可進(jìn)一步提高功率模塊的性能。恩智浦GD3160高級(jí)柵極驅(qū)動(dòng) (器) 是一款功能齊全的集成式柵極驅(qū)動(dòng)單元，不僅為下一代SiC功率模塊提供了穩(wěn)健的控制，還帶有確保功率轉(zhuǎn)換器安全、高效運(yùn)行等多種功能。

  重點(diǎn)介紹了名為“分段驅(qū)動(dòng)”的柵波整形功能，具體請(qǐng)參見(jiàn)在日立RoadPak SiC MOSFET模塊上演示的恩智浦GD3160高級(jí)柵極驅(qū)動(dòng)。該功能支持在正常電流范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)功率模塊快速開(kāi)關(guān)，同時(shí)在發(fā)生過(guò)流時(shí)保護(hù)模塊免受過(guò)壓影響。這種去耦合支持設(shè)計(jì)高效的逆變器單元，而不用擔(dān)心發(fā)生故障時(shí)會(huì)損壞模塊。

  證明了這種“分段驅(qū)動(dòng)”特性可以將模塊關(guān)閉切換損耗降低30% ~ 40%，具體取決于實(shí)際工況。從而支持更高的電流吞吐量和更高能效的逆變器，而不會(huì)因應(yīng)力過(guò)沖減少使用壽命。

  恩智浦GD3160分段驅(qū)動(dòng)

  分段驅(qū)動(dòng)是一種先進(jìn)的柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)，柵極關(guān)斷強(qiáng)度 (以安培為單位) 根據(jù)關(guān)斷時(shí)序逐級(jí)降低。分段驅(qū)動(dòng)通過(guò)降低關(guān)斷過(guò)程中短時(shí)很重要的那部分的電流來(lái)減緩關(guān)斷過(guò)程。

  這減少了電壓過(guò)沖，甚至支持在條件允許的情況下使用較小的柵極驅(qū)動(dòng)電阻來(lái)降低開(kāi)關(guān)損耗。這類智能、復(fù)雜的方法利用連接到功率器件漏極/集電極之間的DESET電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

  圖1：恩智浦GD3160分段驅(qū)動(dòng)框圖

  不采用分段驅(qū)動(dòng)時(shí)，關(guān)斷期間的過(guò)沖和損耗取決于柵極驅(qū)動(dòng)電阻值 (RGL)，通常直接成反比關(guān)系 (即過(guò)沖較低意味著關(guān)斷損耗較高，反之亦然)。

  啟用和配置了分段驅(qū)動(dòng)后，可以實(shí)現(xiàn)更低的過(guò)沖和更低的關(guān)斷能耗，因?yàn)镚D316的電流限制了部分關(guān)斷時(shí)序的關(guān)斷路徑。由于柵極驅(qū)動(dòng)修改了關(guān)斷電流時(shí)序，關(guān)斷性能不再僅僅取決于柵極驅(qū)動(dòng)電阻值。

  該功能可配置度高，具有動(dòng)態(tài)靈活性，可適應(yīng)不斷變化的電流和溫度條件。分段驅(qū)動(dòng)僅在非故障關(guān)閉時(shí)有效，不應(yīng)與電流限制 軟關(guān)斷的去飽和、短路保護(hù)或過(guò)流故障保護(hù)相混淆。

  分段驅(qū)動(dòng)效果的基礎(chǔ)示例

  分段驅(qū)動(dòng)時(shí)序只是略微修改正常無(wú)故障的關(guān)斷操作。下圖顯示了GD3160上柵極驅(qū)動(dòng)修改的程度(及其對(duì)過(guò)沖電壓的影響)。

  圖2：分段驅(qū)動(dòng)對(duì)柵極和過(guò)沖的影響

  在分段驅(qū)動(dòng)時(shí)序中執(zhí)行以下步驟：

  1.發(fā)出PWM命令，關(guān)閉功率模塊。

  2.柵極開(kāi)始使用RGL關(guān)斷電阻的最高強(qiáng)度關(guān)閉，DESAT引腳電壓上升。

  3.當(dāng)DESAT引腳上的電壓超過(guò)分段驅(qū)動(dòng)激活閾值 (VSEGDRV_TH) 時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)開(kāi)始改變關(guān)斷流程并持續(xù)到時(shí)序結(jié)束。

  4.在激活軟關(guān)斷電流 (ISSD) 之前，增加了100ns的延遲以及分段驅(qū)動(dòng)激活延遲時(shí)間 (tSEGDRVDLY)

  5.軟關(guān)斷功能用于緩慢通過(guò)功率器件的閾值區(qū)域，減少di/dt和過(guò)沖應(yīng)力。

  使用分段驅(qū)動(dòng)降低開(kāi)關(guān)損耗

  可選擇關(guān)斷柵極電阻(RGL)，通過(guò)限制最壞情況的過(guò)沖，分段驅(qū)動(dòng)允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)師使用比其他情況下更低的關(guān)斷電阻值。使用較小的電阻可降低總關(guān)斷損耗并

  提高效率。

  我們使用日立RoadPak和GD3160進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，以證明使用這種分段驅(qū)動(dòng)功能可以實(shí)現(xiàn)效率提升。

  測(cè)試用例使用的是800V逆變器。為了確定安全的柵極電阻RGL，我們使用了950V / 1000A車輛中可能發(fā)生的最壞情況。得益于日立RoadPak模塊的低雜散電感，在這種最壞情況下出現(xiàn)過(guò)沖的概率非常低，如果不啟用分段驅(qū)動(dòng)功能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要將RGL設(shè)置為3歐姆。

  下圖顯示，在950V / 1000A的最壞情況下，RGL = 3歐姆時(shí)，VDS過(guò)沖達(dá)到1096V，接近1100V的目標(biāo)，對(duì)于這個(gè)SiC模塊來(lái)說(shuō)是安全的。

  圖3：950V / 1000A時(shí)的關(guān)斷波形，關(guān)閉分段驅(qū)動(dòng)功能，RGL=3歐姆