行業(yè) | 用于工業(yè)和汽車級碳化硅MOSFET功率模塊的高溫柵極驅(qū)動

各行業(yè)所需高溫半導(dǎo)體解決方案的領(lǐng)導(dǎo)者CISSOID公司在7月17日–20日于北京舉行的“第二屆亞太碳化硅及相關(guān)材料國際會議”上，CISSOID首席技術(shù)官Pierre Delatte發(fā)表了題為“一種用于工業(yè)和汽車級碳化硅MOSFET功率模塊的高溫柵極驅(qū)動器”的論文，并介紹了公司在該領(lǐng)域的最新研究開發(fā)成果。

CISSOID首席技術(shù)官Pierre Delatte先生

當(dāng)今，碳化硅（SiC）在汽車制造商的大力追捧下方興未艾，碳化硅技術(shù)可以提供更高的能效和增加功率密度；在工業(yè)應(yīng)用方面，越來越多的人則被碳化硅技術(shù)的優(yōu)點所吸引。為了充分發(fā)揮碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（SiC MOSFET）在快速開關(guān)和低損耗方面的優(yōu)勢，依然需要應(yīng)對兩個主要的挑戰(zhàn)：一是實現(xiàn)精心優(yōu)化的低感抗負(fù)載（寄生感抗）功率模塊，二是采用強勁可靠且快速的柵極驅(qū)動器來高可靠和高能效地驅(qū)動碳化硅工作。對于SiC MOSFET驅(qū)動器，主要有以下幾個方面的要求：

面向高能效的快速開關(guān)能力（高dV/dt）

面向高功率密度的高開關(guān)頻率

高壓穩(wěn)健性

運行操作安全可靠

CISSOID在論文中提出了一種新的柵極驅(qū)動板，其額定溫度為125°C（Ta），它還針對采用半橋式SiC MOSFET的62mm功率模塊進行了優(yōu)化。這款采用CISSOID HADES柵極驅(qū)動器芯片組的電路板的額定溫度為175°C（Tj），并為工業(yè)應(yīng)用中使用的高密度功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計提供了散熱設(shè)計余量?；谙嗤募夹g(shù)，目前正在為基于碳化硅的電動汽車電源逆變器開發(fā)三相柵極驅(qū)動板。

SiC MOSFET支持快速開關(guān)和低開關(guān)損耗。通過減少外部柵極電阻從而增加了峰值柵極電流和dV/dt，進一步降低了開關(guān)損耗。因此，柵極驅(qū)動器必須能夠提供高峰值柵極電流以實現(xiàn)高功率效率。為了限制dV/dt并避免模塊內(nèi)部擾動，通常對碳化硅功率模塊進行內(nèi)部阻尼抑制。CAS300M12BM2模塊的內(nèi)部柵極電阻為3歐姆。當(dāng)驅(qū)動電壓為+20V/-5V時，內(nèi)部柵極電阻將峰值柵極電流限制在8.3A。通常建議增加最小的外部柵極電阻，例如2.5歐姆，以避免任何干擾，且將峰值電流限制在4.5A。當(dāng)溫度為125°C且最大峰值柵極電流為10A時，CMT-TIT8243柵極驅(qū)動器可以以最大的dV/dt驅(qū)動1200V/300A碳化硅功率模塊，從而使開關(guān)轉(zhuǎn)換損耗變得最小。

如果希望通過高dV/dt來減少開關(guān)損耗，則會使柵極驅(qū)動器的設(shè)計變得更具挑戰(zhàn)性。事實上，高dV/dt通過諸如電源變壓器和數(shù)字隔離器等隔離阻斷的寄生電容時，會產(chǎn)生高共模電流來干擾柵極驅(qū)動器的運行，并產(chǎn)生不必要的行為，如附加的開機或關(guān)機。CMT-TIT8243柵極驅(qū)動器的設(shè)計旨在提供針對高dV/dt的魯棒性：為了實現(xiàn)低寄生電容而對電源變壓器進行了優(yōu)化，以盡量降低共模電流。高壓側(cè)驅(qū)動器和包括電源變壓器和隔離器在內(nèi)的主功能側(cè)之間的總寄生電容小于10pF。CMT-TIT8243保證在dV/dt>50kv/μs下正常工作。此外CMTTIT8243柵極驅(qū)動器還具有用于輸入脈寬調(diào)制信號的RS-422差分接口，以提高功率級快速轉(zhuǎn)換期間的信號完整性。

得益于低開關(guān)轉(zhuǎn)換損耗，碳化硅晶體管能夠在處于控制下的功率器件保持冷卻的同時，實現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換器的高開關(guān)頻率。這就縮減了濾波器和變壓器的尺寸，也大大減小了電源轉(zhuǎn)換器的尺寸和重量。為了保證高頻開關(guān)操作的安全，柵極驅(qū)動器的隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器必須能夠提供足夠的平均柵極電流，其計算方法是柵極總電荷乘以開關(guān)頻率。CMT-TIT8243柵極驅(qū)動器可以為每個通道提供95mA的平均柵極電流。在800V/300A下，1200 V/300A SiC MOSFET模塊的總柵極電荷約為1μC，這意味著柵極驅(qū)動器可以在92kHz的開關(guān)頻率下工作。實際上，最大開關(guān)頻率將受到功率模塊中開關(guān)損耗的限制，而不是受到柵極驅(qū)動器的限制。

高溫高壓隔離柵驅(qū)動器用于62mm SiC MOSFET電源模塊

由于工作時可承受的結(jié)溫度更高，SiC MOSFET技術(shù)也有助于實現(xiàn)高功率密度。隨著轉(zhuǎn)換器內(nèi)部功率密度的增加，環(huán)境溫度也隨之升高。人們在努力使得電源模塊降溫的時候，他們卻往往忽視了柵極驅(qū)動器的冷卻。在不降低最大平均柵極的電流時，CMT-TIT8243的柵極驅(qū)動器的環(huán)境工作溫度為125°C，為高功率密度轉(zhuǎn)換器提供了更高的溫度余量，從而簡化了其散熱設(shè)計和機械設(shè)計。當(dāng)SiC MOSFET的導(dǎo)通電阻隨柵極至源極電壓的降低而降低時，具有穩(wěn)定和準(zhǔn)確的正驅(qū)動電壓是非常重要的。必須處理正驅(qū)動電壓的重要變化意味著在功率轉(zhuǎn)換器的散熱和溫度控制設(shè)計中必須要有更大的余量。CMTTIT8243柵極驅(qū)動器的正驅(qū)動電壓精度高于5%，這可以簡化功率級的散熱和溫度控制設(shè)計。

碳化硅技術(shù)將高于600伏的阻斷電壓的各種最佳優(yōu)勢帶給了用戶。高dI/dt比在包括電源模塊、母線和直流母線電容等電源回路中的寄生電感上產(chǎn)生了電壓超調(diào)。柵極驅(qū)動器也面臨這些高電壓并必須保證高隔離。CMT-TIT8243柵極驅(qū)動器具有高隔離電壓（在50赫茲/1分鐘時為3600 Vrms），可在惡劣的電壓環(huán)境下提供安全冗余，并且還設(shè)計了高隔離距離（creepace>14 mm，間隙>12 mm），以便在污染環(huán)境下安全運行：

最后但重要的是，故障保護對于快速開關(guān)碳化硅柵極驅(qū)動器至關(guān)重要，包括：

欠壓解鎖保護（UVLO）：監(jiān)控輸入主供電電壓和輔助輸出電壓，當(dāng)?shù)陀诔绦蛟O(shè)定閾值時報告故障。

反重疊：在高側(cè)和低側(cè)的脈寬調(diào)制（PWM）信號之間強制實現(xiàn)最小的不重疊。

主動米勒鉗位（AMC）：在關(guān)斷后為負(fù)柵極電阻建立旁路，以保護功率場效應(yīng)晶體管不受寄生性接通的影響。

去飽和檢測：在接通電源及消隱時間后檢查場效應(yīng)晶體管是否放電，源電壓是否低于閾值。否則，很可能意味著電源子系統(tǒng)發(fā)生了短路，必須關(guān)閉有源晶體管。

軟關(guān)機：在出現(xiàn)故障的情況下，功率晶體管進行緩慢關(guān)閉，以將高dI/dt的超調(diào)影響降到最低。