SiC MOSFET智能栅极驱动器研究现状

作者：AgileSwitch公司 Nitesh Satheesh、Cliff Robins、Adam Fender

能量变换设备与以往相比，具有更轻、更安全、更为可靠的特点，这得益于功率半导体器件的进步，尤其是采用最先进技术的Si IGBT和SiC MOSFET等器件。

然而，这些进步往往伴随着高代价的设计折衷，如效率与关断阶段过冲电压之间的折衷等。为了应对这些挑战，目前 AgileSwitch的智能栅驱动器采用了其增强型开关专利技术（Augmented SwitchingTM），为面对效率与过冲电压折衷挑战的系统设计人员提供了精密控制机制。

在过去的20年中，IGBT性能取得了巨大的进步，这主要是通过引入用于降低损耗的非穿通（NPT）技术和用于降低栅极电荷的垂直栅极来实现的。然而在这段时间里，作为关键技术的栅极驱动器仍然是一个技术壁垒，虽然运行过程很简单，即将+ Vge和-Vge分别通过导通电阻和关断电阻施加在器件的栅极与发射极之间。

随着SiC相关技术的应用，器件的构造已经开始转变。与Si IGBT相比，SiC MOSFET具有更大的di/dt和dv/dt，因此传统驱动技术变得十分低效。为了解决这一难题，AgileSwitch于2016年推出增强型开关技术。

通过有效利用MOSFET器件的米勒效应来实现高效开关，该技术可快速转换到米勒平台，然后在平台上进行调整以实现受控开关，而无需使用栅极电阻来降低SiC器件的开关速度，其中常规开关和增强型开关的比较在接下来的图表中会有所体现。

增强型开关包括两级开通过程以及两级或更多级的关断过程，此外还有分别用于正常运行和短路运行的两种不同关断曲线。

1) 开通阶段：

       •通过一个中间步骤从关断状态转换到导通状态。

2) 关断阶段：

    a) 正常运行

       •通过一个中间步骤从导通状态转换到关断状态。

    b) 短路条件下运行 

       •Vgs从导通状态转换到关断状态通过多个中间步骤。

增强型关断技术在开始阶段以分立形式实现，AgileSwitch于2016年3月发布针对EconoDual封装模块的 EDEM3驱动器，并在一年后的2月份推出了针对62mm封装SiC MOSFET的驱动器62EM1。

图1  增强型开关技术

通过使用市场上在售的栅极驱动器和SiC功率模块进行试验，增强型开关技术的优势在与传统开关技术一一比较中得到了证实。

该SiC功率模块的特点是：

• 阻断电压 = 1200 V；

• 额定电流=  250 A；

• R_ds(on) = 8 mΩ；

• 推荐外部开通/关断栅极电阻= 5Ω。

采用双脉冲测试方法进行对比测试，其中用于测试正常运行的电阻负载为3 Ω，测试结果如图2顶部图所示，而用于测试短路运行的电阻负载0.6 Ω，测试结果如图2的底部图所示。

具有增强型开关功能的AgileSwitch栅极驱动器经过优化，可在过冲电压和开关损耗之间取得平衡。

与采用传统驱动器相比，增强型开关技术使过冲电压导致的开关损耗最高降低了23％，具体如表1中所示。

测试条件: V=600 V, I=200 A

表1  正常运行结果

短路发生时会产生大电流，此时对于器件尤其危险。当器件在短路状态下关断时，高电压和大电流会并存一段有限时间，从而在器件中产生热应力。 IGBT的短路承受能力一般设定为10 us，而SiC MOSFET短路耐受时间更短。大电流产生的di/dt与系统功率回路中的杂散电感耦合，会产生大的过冲电压。

图2  波形对比分析

得益于增强型开关先进技术，可以有效改善短路检测时间。增强型开关技术的使用将过冲电压限制为使用传统驱动器时所观察到过冲的37％（即降低63％），具体结果如表2所示。

测试条件：V=600 V, I=1000 A

表2 短路运行测试结果

增强型开关技术目前以分立形式实现，并具有门阵列和外围模拟电路。AgileSwitch目前正在开发一系列栅极驱动IC，这将有助于减少栅极驱动板的PCB面积和BOM表中器件数量。

该系列栅极驱动IC中的第一款产品是非隔离的，随后会有隔离版本发布。这些驱动IC将集成到现有的AgileSwitch即插即用驱动板中。此外，一系列全新的栅极驱动内核也将发布。

AgileSwitch产品路线图中的每个构建块都涉及到了客户体验的关键设计注意事项，这些问题将在下一节中详细探讨。

增强型开关技术解决了一些难题，这些难题是某些应用所特有的，下面列出了此类应用案例，如果有其他应用领域的相关问题，请联系AgileSwitch。

图3  AgileSwitch产品线路图

1）EV

全球变暖效应越来越受到重视，运输系统特别是消费类车辆正在迅速走向电气化。目前消费类电动汽车面临的最大挑战可通过增强型开关技术来解决：

    a)续航里程有限

        • 提高效率可以获得更多的续航里程，在电池容量不变的情况下，开关效率的提高可有效提高单次充电使用时长。

    b)充电时间

        • 提高开关效率可有效缩短充电时间。

    c)高成本

        • 过冲电压的降低有效提升设计裕量，而纹波和振荡的减少会有效降低滤波器成本。

2）机车牵引（火车/有轨电车/公共汽车）

城市轨道交通车辆上的牵引变流器和辅助动力装置（APU）提出了一系列独特的设计挑战及具有特定干扰因素，增强型开关技术能够应对这些设计要求：

    a)电磁干扰(EMI)

        •通过管理与调整系统中的导通和关断参数来降低EMI。

    b)功率密度与系统质量

        •APU逆变器安装空间紧凑，而该技术允许设计人员使用更小更轻的滤波器。

    c)效率

        •对于电动或混合动力公交车或有轨电车而言，逆变器效率是关键因素，而较低的开关损耗可提升整体效率。

    d)停机时间

        •高程度的EMI可能会触发误故障，而增强型开关能够过滤掉错误信息，仅在出现真正故障时才起动保护。

图4  应用案例

3）能量储存和新能源

由于可再生方式产生的能量在存储中包含电池，增加了额外的变换步骤， 提高效率对于补偿这一额外步骤至关重要：

    a)效率

        •提升效率是补偿出入电池的额外变换步骤的有效方案。

    b)停机时间

        •EMI可能会导致控制电子设备出现误故障，增强型开关技术可有效降低Vds/Vgs振荡，从而有效降低EMI。

增强型开关技术解决了用户在各自应用领域面临的主要难题，可被认为是传统开关技术的可行替代方案。

• 通过降低开关损耗可实现更高的效率。

• 通过降低Vds/Vgs振铃和抑制关断过冲电压可实现无源滤波器元件的尺寸减小。

• 通过快速安全的短路响应实现安全运行。

• 利用增强型开关技术，目前设计人员能够实现SiC MOSFET器件的所有性能优势。

1. Patent US 9490798 B1 Gate drive control system for SiC and IGBT power devices 

2. SiC Devices Meet High-Voltage Challenges for Solar, Wolfspeed Webinar, February 16th, 2017

3. Effects of Augmented Turn-Off on Silicon Carbide Module Performance, Whitepaper, AgileSwitch 

4. Driving Silicon Carbide Power Module: Efficiency and Reliability, Industry Session, APEC 2017

文章来源于Bodo's功率系统