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作者：Juan Carlos Rodriguez 和 Martin Murnane， ADI公司
簡介
電動汽車、可再生能源和儲能系統(tǒng)等電源發(fā)展技術(shù)的成功取決于電力轉(zhuǎn)換方案能否有效實施。電力電子轉(zhuǎn)換器的核心包含專用半導(dǎo)體器件和通過柵極驅(qū)動器控制這些新型半導(dǎo)體器件開和關(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(dǎo)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(dá)MHz范圍的快速切換速度。這些提高了柵極驅(qū)動器的性能要求，例如，，通過去飽和以得到更短的傳輸延遲和改進(jìn)的短路保護(hù)。
本應(yīng)用筆記展示了ADuM4136 柵極驅(qū)動器的優(yōu)勢，這款單通道器件的輸出驅(qū)動能力高達(dá)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(hù)的快速故障管理功能。
與Stercom Power Solutions GmbH協(xié)作開發(fā)，用于SiC功率器件的柵極驅(qū)動單元（GDU）展現(xiàn)了ADuM4136 的性能（參見圖1）。電路板采用雙極性隔離電源供電，其基于使用LT3999 電源驅(qū)動器構(gòu)建的推挽式轉(zhuǎn)換器。此單片式高壓、高頻、DC/DC轉(zhuǎn)換驅(qū)動器包含具有可編程限流功能的1 A雙開關(guān)，提供高達(dá)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(dǎo)體場效應(yīng)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(yīng)用筆記評估了該解決方案生成的死區(qū)時間，并分析研究GDU引入的總傳播輸延遲。通過去飽和檢測，測試了對SiC器件的過載和短路保護(hù)功能。
測試結(jié)果表明，該解決方案響應(yīng)快速。
圖1.GDU
測試設(shè)置
用于報告測試的完整設(shè)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(hù)測試過程中可將其連接至電源模塊的高邊或低邊。表1總結(jié)了測試設(shè)置功率器件。
圖2.測試設(shè)置原理圖
表1.測試設(shè)置功率器件
圖4中所示的GDU接收來自脈沖波發(fā)生器的開關(guān)信號。這些信號傳送至死區(qū)時間產(chǎn)生電路，由LT1720超快、雙通道比較器來實現(xiàn)，比較器的輸出饋入兩個ADuM4136 器件。 ADuM4136 柵極驅(qū)動器向柵極端發(fā)送隔離信號，并從電源模塊中的兩個SiC MOSFET的漏極端接收隔離信號。 柵極驅(qū)動器的輸出級由推挽式轉(zhuǎn)換器提供隔離電源，該轉(zhuǎn)換器使用了由外部5 V直流電源供電的LT3999 DC/DC驅(qū)動器。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）線性穩(wěn)壓器供電。
圖3展示了實驗連接設(shè)置，表2描述了去飽和保護(hù)測試中使用的設(shè)備。
表2.測試設(shè)置設(shè)備
圖3.測試設(shè)備連接圖
測試結(jié)果
死區(qū)時間和傳輸延遲
硬件死區(qū)時間由GDU引入，以避免半橋電源模塊中出現(xiàn)短路，這在打開或關(guān)閉高邊和低邊SiC MOSFET時可能會發(fā)生（請參見圖4）。請注意，延遲的PWM_B）信號在本文中表示為PWM_B_D）。
在傳輸延遲測試中，在底部驅(qū)動器的信號鏈上測量死區(qū)時間，其由GDU PWM_B）信號的（有效低電平）輸入激發(fā)。 死區(qū)時間通過使用電阻電容（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(jié)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(qū)動器）
當(dāng)PWM_B）輸入信號被拉低時，比較器將其延遲PWM_B_D）輸出狀態(tài)從高變?yōu)榈停绤^(qū)時間由RC電路確定（~160 ns，參見圖5）。
當(dāng)SiC MOSFET關(guān)斷，且PWM_B）輸入信號被拉高時，與SiC MOSFET開啟時測量的延遲時間相比，PWM_B_D）延遲時間可以忽略不計（~20 ns），如圖6所示。
開啟和關(guān)斷時在PWM_B_D）死區(qū)時間生成和VGS_B信號切換后測得的延遲時間如圖7和圖8所示。這些延遲時間比較短暫，分別為66 ns和68 ns，是由ADuM4136。引入的延遲。
開啟時的總傳輸延遲時間（死區(qū)時間加上傳輸延遲）約為226 ns，關(guān)斷時的總傳輸延遲時間約為90 ns。表4總結(jié)了傳輸延遲時間的結(jié)果。
圖4.GDU信號鏈
表4.傳播延遲測試結(jié)果
圖5.死區(qū)時間測量，器件開啟
圖6.死區(qū)時間測量，器件關(guān)斷
圖7.延遲時間測量，器件開啟
圖8.延遲時間測量，器件關(guān)斷
去飽和保護(hù)
避免驅(qū)動開關(guān)高壓短路的去飽和保護(hù)功能集成在ADuM4136 IC上。
在此應(yīng)用中，每個柵極驅(qū)動器間接監(jiān)控MOSFET的漏極至源極引腳的電壓（VDS），檢查并確認(rèn)其DESAT引腳的電壓（VDESAT）不超過介于8.66 V至9.57 V之間的基準(zhǔn)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：兩個高壓保護(hù)二極管和一個齊納二極管（參見表6和原理圖部分）。
VDESAT的值可通過以下等式計算：
VDESAT = VZ + 2 × VDIODE_DROP + VDS
其中：
VZ是齊納二極管擊穿電壓。
VDIODE_DROP是每個保護(hù)二極管的正向壓降。
在關(guān)斷期間，DESAT引腳在內(nèi)部被拉低，未發(fā)生飽和事件。此外，MOSFET電壓（VMOSFET）高，且兩個二極管反向偏置，以保護(hù)DESAT引腳。
在接通期間，DESAT引腳在300 ns內(nèi)部消隱時間后釋放，兩個保護(hù)二極管正向偏置，齊納二極管出現(xiàn)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，VDS和VDESAT電壓一直很低。當(dāng)高電流流經(jīng)MOSFET時，VDS電壓增大，導(dǎo)致VDESAT電壓電平升至VDESAT_REF以上。
在這種情況下，ADuM4136 柵極驅(qū)動器輸出引腳（VOUT）在200 ns內(nèi)變?yōu)榈碗娖讲⑷ワ柡蚆OSFET，同時生成延遲《2 μs的FAULT）信號，使柵極驅(qū)動器信號（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，并可通過選擇具有擊穿電壓VZ的合適齊納二極管設(shè)定為任何電平。反過來，可根據(jù)MOSFET制造商數(shù)據(jù)手冊中所述的VDS來估計用于去飽和的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(hù)測試。通過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(biāo)稱VDIODE_DROP = 0.6 V。
低邊測試
25°C室溫下，通過在100 V至800 V的范圍內(nèi)改變輸入電壓（V1），進(jìn)行了低邊去飽和保護(hù)測試（參見圖9）。
圖9.低邊去飽和保護(hù)測試
圖10至圖17顯示低邊去飽和保護(hù)測試的結(jié)果。表5說明了圖10至圖17所示的信號。
表5.示波器信號描述（低邊測試）
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(hù)，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)行了類似測試，其中在25°C下對~160 A的電流觸發(fā)了去飽和保護(hù)，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(jié)果表明，柵極驅(qū)動解決方案可在《2 μs的高速下，能夠上報去飽和檢測的電流值，這個電流值接近設(shè)定的電流值（參見表4）。
表6.去飽和保護(hù)測試的計算條件
圖10.低邊測試，V1 = 100 V，無故障
圖11.低邊測試，V1 = 200 V，無故障
圖12.低邊測試，V1 = 300 V，無故障
圖13.低邊測試，V1 = 400 V，無故障
圖14.低邊測試，V1 = 500 V，無故障
圖15.低邊測試，V1 = 600 V，無故障
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(qū)動器板的原理
圖18.ADuM4136 柵極驅(qū)動板原理圖（初級端）
圖19.ADuM4136 柵極驅(qū)動板原理圖（隔離電源和高邊柵極信號）
圖20.ADuM4136 柵極驅(qū)動板原理圖（隔離電源和低邊柵極信號）
結(jié)論
ADuM4136 柵極驅(qū)動器能夠通過去飽和保護(hù)上報短傳輸延遲和快速過流故障。這些優(yōu)勢結(jié)合適當(dāng)?shù)耐獠?a href="http://www.ttokpm.com/v/tag/167/" target="_blank">電路設(shè)計，可滿足使用SiC和GaN等先進(jìn)寬禁帶半導(dǎo)體器件應(yīng)用的嚴(yán)格要求。
本應(yīng)用筆記中的測試結(jié)果是全柵極驅(qū)動解決方案在高電壓下驅(qū)動SiC MOSFET模塊的數(shù)據(jù)，并通過去飽和保護(hù)功能提供超快響應(yīng)和相應(yīng)的故障管理。此柵極驅(qū)動解決方案由LT3999， 構(gòu)建的緊湊、低噪聲功率轉(zhuǎn)換器供電，其提供具有適當(dāng)電壓電平的隔離電源以及低關(guān)斷電流和軟啟動功能。
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