【導(dǎo)讀】對(duì)綠色能源生產(chǎn)和能源消耗的追求使高效電源電路變得更加重要。在這方面，許多現(xiàn)代電源和轉(zhuǎn)換器都在更高的電壓下工作，從而允許使用更低的電流來(lái)最大程度地降低I2R損耗。碳化硅（SiC）MOSFET和二極管是這些新型大功率，高壓功率轉(zhuǎn)換電路的重要組成部分。
對(duì)綠色能源生產(chǎn)和能源消耗的追求使高效電源電路變得更加重要。在這方面，許多現(xiàn)代電源和轉(zhuǎn)換器都在更高的電壓下工作，從而允許使用更低的電流來(lái)最大程度地降低I2R損耗。碳化硅（SiC）MOSFET和二極管是這些新型大功率，高壓功率轉(zhuǎn)換電路的重要組成部分。
圖1
柵極驅(qū)動(dòng)評(píng)估平臺(tái)包括主板、兩個(gè)插件柵極驅(qū)動(dòng)器模塊，以及支持高達(dá)5千瓦輸出功率的散熱器和風(fēng)扇。
碳化硅MOSFET具有較低的導(dǎo)通電阻，可以在開(kāi)關(guān)狀態(tài)之間快速地來(lái)回切換。因此，它們比絕緣柵雙極晶體管（IGBT）消耗的功率小得多，IGBT具有較慢的關(guān)斷速度和較高的關(guān)斷開(kāi)關(guān)功率損耗。此外，碳化硅的寬帶隙使碳化硅器件能夠在高壓下工作。相反，硅基MOSFET不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)高阻斷電壓和低導(dǎo)通電阻。因此，碳化硅器件在高功率應(yīng)用中變得越來(lái)越重要。
由于碳化硅器件具有較高的功率水平，因此設(shè)計(jì)人員必須評(píng)估碳化硅器件本身及其柵極驅(qū)動(dòng)器電路。碳化硅技術(shù)仍是相對(duì)較新的技術(shù)，在各種條件下的器件性能還沒(méi)有得到充分表征。
評(píng)估平臺(tái)將使設(shè)計(jì)工程師能夠評(píng)估在轉(zhuǎn)換器電路應(yīng)用中連續(xù)工作的碳化硅MOSFET，碳化硅肖特基二極管和柵極驅(qū)動(dòng)器電路。評(píng)估平臺(tái)將有助于加快成功的基于碳化硅的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)周期，并有助于加快最終產(chǎn)品的上市時(shí)間。
功率轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
為了使功率輸出和功率轉(zhuǎn)換電路的效率最大化，設(shè)計(jì)人員必須確保：
電源設(shè)備可以在額定功率和電流下運(yùn)行，并向負(fù)載提供足夠的功率
電路將內(nèi)部功率損耗降至最低，以獲得最大效率
該設(shè)計(jì)包含用于碳化硅功率器件的保護(hù)電路
印刷電路板（PCB）布局最大程度地減少了寄生電感和電容
EMI輻射在允許范圍內(nèi)
該設(shè)計(jì)使用最少的無(wú)源元件，有助于降低成本、尺寸和重量
柵極驅(qū)動(dòng)器有助于實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，并有助于將熱性能保持在規(guī)定的溫度額定值內(nèi)。
圖2
柵極驅(qū)動(dòng)評(píng)估平臺(tái)的簡(jiǎn)化圖。電源配置為半橋輸出級(jí)。未顯示的去耦電容器靠近碳化硅器件放置，以在器件切換期間保持電源電壓。去耦電容器和碳化硅器件兩端的電容器充當(dāng)?shù)屯V波器，以消除直流電源線上的開(kāi)關(guān)噪聲。下面為柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)路中的寄生電容和電感。
柵極驅(qū)動(dòng)評(píng)估平臺(tái)可幫助設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)所有這些挑戰(zhàn)。該平臺(tái)可以連續(xù)在高功率下工作，以表征所選碳化硅MOSFET和二極管的性能。該平臺(tái)還可以在多種測(cè)試條件下比較不同的柵極驅(qū)動(dòng)器。可以評(píng)估柵極驅(qū)動(dòng)器的熱性能，抗電磁干擾能力以及驅(qū)動(dòng)功率元件的能力，以使其高效工作。最后，該平臺(tái)允許對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，以提高效率，減少電磁干擾（EMI），降低成本，減小尺寸和減輕重量。
柵極驅(qū)動(dòng)評(píng)估平臺(tái)本質(zhì)上是一個(gè)功率級(jí)參考設(shè)計(jì)平臺(tái)，它由一個(gè)主板和和一個(gè)以半橋配置的兩個(gè)碳化硅MOSFET-碳化硅肖特基二極管對(duì)組成。半橋電路在800伏直流總線電壓下可輸出最大5千瓦的功率。主板可以容納兩個(gè)獨(dú)立的柵極驅(qū)動(dòng)器模塊板，每個(gè)開(kāi)關(guān)位置一個(gè)。因此，不同的柵極驅(qū)動(dòng)集成電路和柵極驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)可以快速方便地安裝在主板上，以評(píng)估柵極驅(qū)動(dòng)性能以及驅(qū)動(dòng)器如何影響輸出功率。
柵極驅(qū)動(dòng)評(píng)估平臺(tái)的第三個(gè)主要元素是熱管理，散熱器和冷卻MOSFET-二極管對(duì)的風(fēng)扇。散熱器風(fēng)扇子系統(tǒng)使功率電路能夠在頻率高達(dá)200kHz的MOSFET二極管對(duì)切換時(shí)連續(xù)輸出高達(dá)5kW的功率。
柵極驅(qū)動(dòng)評(píng)估平臺(tái)的印刷電路板布局最小化了回路電感和電源電路與柵極電路之間的耦合。兩個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電路允許獨(dú)立評(píng)估頂部和底部柵極驅(qū)動(dòng)質(zhì)量。
碳化硅MOSFET和二極管的選擇以及柵極驅(qū)動(dòng)器的選擇是功率轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)的最重要決定。MOSFET必須具有電壓，電流和功率規(guī)格，才能滿(mǎn)足轉(zhuǎn)換器的要求。柵極驅(qū)動(dòng)器有更復(fù)雜的要求。它應(yīng)具有較寬的電壓范圍和足夠的輸出電流來(lái)驅(qū)動(dòng)功率MOSFET。
圖3
使用降壓轉(zhuǎn)換器作為負(fù)載的柵極驅(qū)動(dòng)器開(kāi)關(guān)損耗測(cè)試。此處顯示的是柵極驅(qū)動(dòng)電壓，MOSFET漏源電流和MOSFET漏源電壓。
推薦的驅(qū)動(dòng)電壓為15至20V，以便將MOSFET切換到導(dǎo)通狀態(tài)；推薦電壓為0至-5V，以便將MOSFET切換到關(guān)閉狀態(tài)。柵極驅(qū)動(dòng)器的峰值輸出電流范圍為1至15A，具體取決于MOSFET的功率處理能力。驅(qū)動(dòng)器需要提供高脈沖電流，以減少開(kāi)關(guān)瞬態(tài)期間的MOSFET開(kāi)關(guān)損耗。此外，高持續(xù)電流和較小的外部柵極電阻可降低碳化硅MOSFET的高頻開(kāi)關(guān)期間的驅(qū)動(dòng)器溫度。
快速碳化硅MOSFET開(kāi)關(guān)引起的高dv/dt使得高共模電流流經(jīng)柵極驅(qū)動(dòng)器和功率轉(zhuǎn)換電路的其余部分。高共模電流會(huì)影響控制電路中的參考電壓節(jié)點(diǎn)，從而導(dǎo)致誤操作。共模電流的大小由MOSFETdv/dt和共模電流路徑中的阻抗決定。因此，柵極驅(qū)動(dòng)器集成電路及其電源都需要較高的隔離阻抗以減小共模電流。柵極驅(qū)動(dòng)器的隔離電容應(yīng)小于1pF。電源的隔離電容應(yīng)低于10pF。
傳統(tǒng)的做法是由光耦合器提供隔離。新的集成電路技術(shù)可以采用電感或電容隔離。這些新方法被稱(chēng)為數(shù)字隔離器技術(shù)。光耦合器和數(shù)字隔離器既有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)。光耦合器提供電流，從而使其輸入不易受到EMI的影響。但是，光耦合器不能處理像數(shù)字隔離器一樣高的數(shù)據(jù)傳輸速率，并且會(huì)帶來(lái)更長(zhǎng)的脈沖寬度失真時(shí)間。脈沖寬度失真時(shí)間是指通過(guò)驅(qū)動(dòng)器集成電路的信號(hào)延遲時(shí)間。在半橋電源轉(zhuǎn)換拓?fù)渲校^(guò)多的延遲會(huì)產(chǎn)生波形失真和低頻噪聲。
光耦合器的性能隨驅(qū)動(dòng)器電壓，溫度和設(shè)備壽命的變化而變化。基于數(shù)字隔離器的驅(qū)動(dòng)器在整個(gè)溫度范圍內(nèi)具有更穩(wěn)定的參數(shù)。由于數(shù)字隔離器在電壓輸入下工作，因此它們更容易受到EMI的影響。但總的來(lái)說(shuō)，與使用碳化硅MOSFET的功率轉(zhuǎn)換電路的柵極驅(qū)動(dòng)器中的光耦合器相比，數(shù)字隔離器更穩(wěn)定的工作參數(shù)使其成為更好的選擇。
對(duì)于大功率電路，必須采用保護(hù)機(jī)制來(lái)防止器件熱失控以及由于故障而損壞器件和電路。強(qiáng)烈建議采用帶有保護(hù)電路的柵極驅(qū)動(dòng)器集成電路。柵極驅(qū)動(dòng)集成電路應(yīng)具有去飽和（de-sat）保護(hù)，故障情況下的軟關(guān)斷，米勒鉗位電路和欠壓鎖定（UVLO）。
發(fā)生負(fù)載短路時(shí)，去飽和保護(hù)電路會(huì)關(guān)閉MOSFET。軟關(guān)斷可避免較大的瞬態(tài)電壓過(guò)沖，并在直通故障期間（兩個(gè)MOSFET同時(shí)同時(shí)導(dǎo)通）關(guān)閉MOSFET。Miller鉗位電路通過(guò)從寄生漏極-柵極電容中釋放電流來(lái)避免直通條件，從而避免柵極電壓的瞬態(tài)上升。鉗位電路可防止MOSFET在應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)導(dǎo)通。如果用于柵極驅(qū)動(dòng)器輸入或隔離輸出電路的電壓供應(yīng)過(guò)低，則UVLO電路會(huì)關(guān)閉柵極驅(qū)動(dòng)器，以保護(hù)MOSFET免受不正確的開(kāi)關(guān)時(shí)序的影響。這些保護(hù)電路確保了更堅(jiān)固和安全的電源轉(zhuǎn)換電路。
PCB板布局對(duì)動(dòng)態(tài)電路（例如高效功率轉(zhuǎn)換電路）的性能有重大影響。PCB走線和接地層的寄生電容和電感會(huì)增加電路中的寄生電容和電感。柵極驅(qū)動(dòng)回路中的寄生元件會(huì)降低MOSFET的開(kāi)關(guān)性能。柵極-源極電容迫使柵極驅(qū)動(dòng)器集成電路產(chǎn)生更高的驅(qū)動(dòng)電流。雜散電感會(huì)增加?xùn)艠O-源極電壓的過(guò)沖，并導(dǎo)致在MOSFET開(kāi)關(guān)期間產(chǎn)生振鈴。
為了減少雜散電容和電感，將柵極驅(qū)動(dòng)器，柵極電阻和去耦電容靠近MOSFET柵極，使柵極路徑盡可能短。通過(guò)將柵極返回路徑直接布置在柵極電源走線的正下方，將環(huán)路電感降至最低。最大化MOSFET柵極走線和漏極走線之間的距離，以減小柵極-漏極電容的大小。這種做法會(huì)切斷進(jìn)入柵極的電流，從而降低米勒效應(yīng)。
此外，電源轉(zhuǎn)換電路下方的接地層會(huì)增加電容耦合；避免在基于MOSFET開(kāi)關(guān)的功率轉(zhuǎn)換電路中使用接地層。所有這些PCB布局建議均已在柵極驅(qū)動(dòng)評(píng)估平臺(tái)中實(shí)施，以避免定制測(cè)試板的設(shè)計(jì)，布局和測(cè)試。
圖4
產(chǎn)生波形的測(cè)試條件：輸入電壓=800V，輸出電壓=400V，開(kāi)關(guān)頻率=100kHz，輸出功率=2.5kW
柵極驅(qū)動(dòng)評(píng)估平臺(tái)通過(guò)使用不同的柵極驅(qū)動(dòng)集成電路可以方便地比較開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)瞬態(tài)。考慮為在連續(xù)開(kāi)關(guān)條件下工作的降壓轉(zhuǎn)換器評(píng)估柵極驅(qū)動(dòng)器的情況。降壓轉(zhuǎn)換器的工作頻率為100kHz，輸出為2.5kW。
驅(qū)動(dòng)器集成電路的驅(qū)動(dòng)能力和所使用的外部柵極電阻將影響碳化硅MOSFET的開(kāi)關(guān)瞬變和整體開(kāi)關(guān)損耗。在此測(cè)試中，第一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器的額定驅(qū)動(dòng)電流為14A，第二個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器的額定驅(qū)動(dòng)電流為2A。每個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器均使用10Ω和1Ω柵極電阻進(jìn)行測(cè)試。
10Ω柵極電阻消除了柵極驅(qū)動(dòng)器性能上的差異。10Ω的柵極電阻會(huì)降低MOSFET的瞬態(tài)開(kāi)關(guān)速度，從而增加開(kāi)關(guān)損耗。高輸出電流驅(qū)動(dòng)器和低輸出電流驅(qū)動(dòng)器之間的差異更加明顯。當(dāng)以較低的柵極電阻使用高輸出電流驅(qū)動(dòng)器時(shí)，MOSFET的開(kāi)關(guān)速度更快。與較高的柵極電阻相比，較低的柵極電阻確實(shí)在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換期間產(chǎn)生更多的振鈴。設(shè)計(jì)人員必須找到柵極驅(qū)動(dòng)器，柵極電阻和MOSFET的最佳組合，以最大程度地降低開(kāi)關(guān)損耗。
圖5
具有兩個(gè)不同的驅(qū)動(dòng)器集成電路和一個(gè)10Ω和2Ω柵極電阻的MOSFET導(dǎo)通瞬變。綠色軌跡：IXDN614。灰色軌跡IXDN602
柵極驅(qū)動(dòng)器評(píng)估平臺(tái)可借助散熱器和風(fēng)扇來(lái)評(píng)估驅(qū)動(dòng)器集成電路的熱性能，這些散熱器和風(fēng)扇使MOSFET能夠在連續(xù)開(kāi)關(guān)輸出狀態(tài)下工作。該平臺(tái)還可用于測(cè)試驅(qū)動(dòng)器保護(hù)功能。
簡(jiǎn)而言之，柵極驅(qū)動(dòng)評(píng)估平臺(tái)是一種有助于對(duì)碳化硅器件和柵極驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行評(píng)估的工具。通過(guò)將柵極驅(qū)動(dòng)模塊插入主板，設(shè)計(jì)人員可以很容易地比較不同柵極驅(qū)動(dòng)器集成電路的效率和熱性能。設(shè)計(jì)人員可以使用評(píng)估平臺(tái)上的PCB布局技術(shù)和推薦元件來(lái)克服碳化硅器件的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，從而開(kāi)發(fā)出高效，熱可控和受保護(hù)的電源轉(zhuǎn)換電路。因此，該評(píng)估平臺(tái)可以更快地設(shè)計(jì)高效的功率轉(zhuǎn)換電路，并加快產(chǎn)品上市時(shí)間。
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