利用AgileSwitch Augmented Switching 柵極驅(qū)動(dòng)器 對(duì)62 mm SiC 功率模塊進(jìn)行表征

開(kāi)關(guān)SiC MOSFET功率模塊會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題：關(guān)斷電壓過(guò)沖和振鈴。為了優(yōu)化器件性能，必須要解決這兩個(gè)問(wèn)題。我們需要在保持開(kāi)關(guān)效率的同時(shí)控制這兩個(gè)寄生問(wèn)題。Microchip 的AgileSwitch系列柵極驅(qū)動(dòng)器已獲得專利，該系列產(chǎn)品通過(guò)在關(guān)斷期間將柵極電壓值和停留時(shí)間調(diào)整為一個(gè)或多個(gè)中間值來(lái)控制關(guān)斷 di/dt，從而解決了這些問(wèn)題。這個(gè)過(guò)程通常稱為 Augmented TurnOff或ATOff。




圖 1： 傳統(tǒng)關(guān)斷與 Augmented Turn-Off?

Augmented Turn-Off 的優(yōu)勢(shì)如下： 1. 減少開(kāi)關(guān)損耗 2. 對(duì)導(dǎo)通 dv/dt 進(jìn)行精細(xì)控制 3. 降低關(guān)斷過(guò)沖電壓 4. 穩(wěn)健的短路保護(hù)和響應(yīng)性能

主要內(nèi)容

簡(jiǎn)介

本報(bào)告概述了 62 mm SiC 半橋模塊的表征過(guò)程。我們 將 AgileSwitch 2ASC-12A1HP 柵極驅(qū)動(dòng)器內(nèi)核連接 至 AgileSwitch 62CA1 模塊適配器板，然后進(jìn)行測(cè)試。


圖 2： 將已連接 62CA1 適配板的 2ASC12A1HP SiC 驅(qū)動(dòng)器內(nèi)核插入 62mm 模塊



圖 3： 雙脈沖設(shè)置圖示：（A）2ASC-12A1HP、 （B）62CA1 適配板、（C）FF6MR12KM1 模塊、 （D） VDS 探針和 I VGS 探針、（F）電流探針和 （G）電感

雙脈沖測(cè)試


硬件設(shè)置

將電感跨接在上橋臂MOSFET的兩端進(jìn)行雙脈沖測(cè)試， 如圖 4 所示。在測(cè)試期間，上橋臂 MOSFET 保持在 -5V，而下橋臂 MOSFET 使用摘要中描述的配置進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作。將羅氏線圈放在模塊引腳 2 上的源極回流總線 周?chē)?，以測(cè)量電流。 測(cè)試條件為 600V、250A，以重現(xiàn)模塊數(shù)據(jù)手冊(cè)中列出 的工作條件。使用較小的柵極電阻，因?yàn)?2ASC12A1HP 可通過(guò)數(shù)字方式控制開(kāi)關(guān)邊沿，所以如果使用 較大的電阻就會(huì)導(dǎo)致額外損耗，性能方面也沒(méi)有什么優(yōu)勢(shì)。

軟件設(shè)置

雙脈沖配置

根據(jù)所選負(fù)載電感、直流鏈路電壓和所需最大漏極電流 來(lái)設(shè)置雙脈沖配置的時(shí)序。在 VDC = 600V 以及 LLOAD = 21.6 μH 的條件下，需要 9 μs 脈沖才能達(dá)到 250A。雙 脈沖波形的完整時(shí)序如圖 5 所示。第一個(gè)脈沖的導(dǎo)通時(shí) 間定義為時(shí)間 0。在 tOFF1 時(shí)進(jìn)行關(guān)斷測(cè)量，在 tON2 時(shí) 進(jìn)行導(dǎo)通測(cè)量。第一個(gè)脈沖的寬度（tOFF1 - tON1）設(shè)置 為能夠達(dá)到所需的電流；第二個(gè)脈沖的寬度 （tOFF2 - tON2）基本上無(wú)關(guān)緊要，只要其寬度足以使系統(tǒng)在導(dǎo)通 后趨于穩(wěn)定，以便獲取正常的測(cè)量結(jié)果。



Augmented Switching 配置

為清晰起見(jiàn)，圖 5 中的開(kāi)關(guān)曲線以簡(jiǎn)化的方式顯示了在 VGS(ON) 和 VGS(OFF) 之間直接切換時(shí)的導(dǎo)通和關(guān)斷邊 沿。AgileSwitch 柵極驅(qū)動(dòng)器使用 Augmented Switching 功能，通過(guò)精確的時(shí)序和電壓步長(zhǎng)以數(shù)字方式控制這些 邊沿。針對(duì)這些測(cè)試，我們將驅(qū)動(dòng)器編程為無(wú)任何中間 導(dǎo)通步驟（即導(dǎo)通波形直接從VGS(OFF)切換至VGS(ON)） 以及只有一個(gè)中間關(guān)斷步驟，如圖 6 中所示；該設(shè)置稱 為兩級(jí)關(guān)斷 （Two-Level Turn-Off， TLTO）。我們還測(cè) 試了多個(gè) VTLTO 和 tTLTO 設(shè)置，以觀察模塊在各種開(kāi)關(guān) 配置中的性能。

結(jié)果

導(dǎo)通 圖 7 顯示了示波器中的導(dǎo)通結(jié)果。電流峰值達(dá)到 323A， 然后穩(wěn)定在其設(shè)定點(diǎn) 250A。


表 4 匯總了此測(cè)試的參數(shù)值；導(dǎo)通能量損耗為 1.67 mJ， 比數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)范低 68%。



關(guān)斷

圖 8 和圖 9 顯示了兩種不同設(shè)置的關(guān)斷結(jié)果：一種設(shè) 置針對(duì)低開(kāi)關(guān)損耗進(jìn)行了優(yōu)化，另一種設(shè)置則針對(duì)低過(guò) 沖電壓進(jìn)行了優(yōu)化。通常，中間步驟時(shí)間越長(zhǎng)，器件關(guān) 斷速度就越慢，從而導(dǎo)致更高損耗，但可實(shí)現(xiàn)更低過(guò) 沖，如表 6 所示。


關(guān)斷期間實(shí)現(xiàn)的最低開(kāi)關(guān)損耗為 1.37 mJ （過(guò)沖為 513V），最低過(guò)沖為 228V （損耗為 4.94 mJ）。

短路測(cè)試

硬件設(shè)置


短路測(cè)試的設(shè)置與雙脈沖測(cè)試類似，只是將電感換為小 電阻 （330 mΩ）。此外，為了與模塊數(shù)據(jù)手冊(cè)中的參 數(shù)相匹配，我們將直流鏈路電壓增加至 800V。




圖 10： 短路硬件設(shè)置

軟件設(shè)置

除了正常工作期間的兩級(jí)關(guān)斷（TLTO）外， 2ASC12A1HP 還具有檢測(cè)到去飽和 / 短路事件后執(zhí)行多級(jí)關(guān) 斷 （Multilevel Turn-Off， MLTO）的功能。此功能與 TLTO 類似，但有一個(gè)額外的中間步驟。電壓值和這些 步驟的時(shí)序可在軟件中配置，所以我們測(cè)試了一些設(shè)置 組合，目的是確認(rèn)哪種設(shè)置既可以提供足夠的關(guān)斷速 度，又能最大限度地降低過(guò)沖電壓。最終設(shè)置請(qǐng)參見(jiàn) 表 7。此外還可以配置去飽和跳脫值，可將其轉(zhuǎn)換為特 定的檢測(cè)時(shí)間。目前的設(shè)置是 1.5 μs，可在確保零誤報(bào) 的同時(shí)實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)。

注 2：關(guān)斷能量損耗規(guī)定為5.10 mJ（典型值）。

結(jié)果

圖 12 顯示了短路事件期間的三個(gè)關(guān)鍵波形：通道 4 （綠色）顯示，由于在上橋臂 MOSFET 兩端跨接 330 m? 電阻，電流迅速上升；通道 1 （黃色）顯示采用 多級(jí)關(guān)斷的柵極信號(hào)；通道 2 （品紅色）則顯示下橋臂 MOSFET 兩端的電壓。驅(qū)動(dòng)器在 1.5 μs 后開(kāi)始切斷柵 極信號(hào)，此時(shí)電流已升至 1.48 kA 峰值。由于關(guān)斷配置 受控， 800V 總線上的電壓過(guò)沖被限制為 280V。

總結(jié)

雙脈沖測(cè)試結(jié)果表明，62 mm SiC 模塊平臺(tái)是一個(gè)穩(wěn)健 的模塊?？紤]到封裝和假定的系統(tǒng)中存在電感，制造商 選用的柵極電阻 （Rg on/off = 3.9 ?）似乎是合理的。 數(shù)據(jù)手冊(cè)中的損耗似乎與其他制造商的同等產(chǎn)品一致。 結(jié)果表明， AgileSwitch 的 Augmented Switching 技術(shù) 具有以下性能優(yōu)勢(shì)： 1. 可在開(kāi)關(guān)損耗與 Vds 過(guò)沖之間調(diào)整平衡點(diǎn) a) 針對(duì)最低開(kāi)關(guān)損耗進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，關(guān)斷損耗降 低 73% b) 針對(duì)最低 Vds 過(guò)沖進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，關(guān)斷損耗降 低 3% 2. 穩(wěn)健的短路保護(hù) a) 總短路時(shí)間不到 2?s b) Vds 過(guò)沖和振鈴受控 總之，通過(guò) Augmented Switching 技術(shù)，支持工程師可 對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行細(xì)致的調(diào)整。