AN-1535: 驱动碳化硅(SiC)功率开关器件的ADuM4135栅极驱动器的性能

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引言

在太阳能光伏(PV)和储能应用中，提高功率密度已经成为一种趋势，另外我们还需要不断提高效率。碳化硅(SiC)功率器件提供了这个问题的解决方案。

SiC器件是宽带隙器件，能够在高于120 V dc的电压下工作，通常具有较低的漏源阻抗(RDSON)。有些器件的RDSON低至 8 mΩ，因此这些器件还能满足降低导通损耗、进而提高效率的需求。SiC器件还能达到高于100 kHz的快速开关速度，而且开关过程中的寄生电容和相关电荷也比较低。但它们也存在一些缺点，包括要求栅极驱动器具有大于100 kV/μs的较高共模瞬变抗扰度(CMTI)。另一个缺点是，SiC的漏源的较高开关频率可能导致器件栅极的振荡。在驱动较高电压的SiC器件（使用它们可以实现显著的功率密度提升）时，这些缺点可能导致问题。

作为栅极驱动器和SiC的一种组合， ADuM4135和SiC模块可以解决这些问题，如表1所示。此功率模块是一款半桥SiC器件，集电极-发射极电压额定值为1200 V，连续电流能力为75 A。其栅源电压(VGS)额定值为+20 V至-10 V，隔离额定值为2.5 kV（持续1分钟）。该模块的输入电容(CISS)为4.2 nF，反向恢复时间为25 ns。

ADuM4135栅极驱动器是一款单通道器件，在25 V的工作电压下（VDD至 VSS），典型驱动能力为7 A源电流/灌电流。最小CMTI为100 kV/μs。

图1. ADuM4135栅极驱动器模块

实验设置

测量栅极驱动信号

高压测量通常使用差分探头，以将用户与高压环境隔离。然而，这些探头往往比标准无源探头噪声更大，可能会使测量结果失真。图2显示了隔离探头和无源探头在同一点测量时的区别。对于这些测量，高边测量通过隔离探头实现，需要与更高的电压隔离。然而，对于低边测量，使用标准无源探头可获得更准确的信号表示。图3显示了如何实现这种测量，图2显示了相应的结果。信号如下：

  • VGS 是直接在功率器件栅源引脚处测得的电压。
  • VDS是在功率器件漏源处测得的电压。
图2. 使用差分探头和无源探头测量 VGS：红线表示使用Agilent N2863B无源探头(300 MHz)测得的低边 VGS；绿线表示使用TESTEC TT-SI9110差分探头(100 MHz)测得的低边 VGS
图3. 如何测量低边VGS和VDS

栅极电压控制

测试开始时，观察到栅源电压有一个急剧上升时间，这可能会产生限制性的电磁干扰(EMI)环境，从而造成问题。因此，我们决定在栅极上添加一个4.7 nF电容，使开关更加平顺。此电容直接添加在模块栅极和源极之间的引脚上。图4和图5显示了添加电容之前的VGS栅极驱动信号，可以看到摆率很陡峭。图5是图4的放大视图。图6显示了在栅极处添加电容后的响应，可以看到VGS的上升时间控制得更好。

图4. 低边VGS ，栅极上未添加电容
图5. 放大后的低边 VGS，栅极上未添加电容
图6. 低边 VGS，栅极上添加了4.7 nF电容

直流链路去耦

最初，在切换时，观察到直流母线的直流输入电压上有10%到20%的纹波。此纹波如图7所示。为了减小这种纹波，我们增加了总计1100 μF的额外电容，以改善直流母线上的去耦。

图7. 无去耦电容情况下的直流输入电压

测试设置

电气设置

系统测试电路的设置如图8所示。直流电压施加于半桥两端的输入，1100 µF的去耦电容添加到输入级。输出级为200 µH和128 µF的电感电容(LC)滤波器级，对输出进行滤波，传送到2 Ω至3 Ω的负载R1。表1显示了测试设置功率器件的列表。完整设置如图9所示，表2详细列出了测试中使用的设备。

图8. 电气设置
表1. 测试设置功率器件
设备 值
U1 200 V 至 900 V
C1 1100 μF
L1 200 μH
C2 128 μF
R1 2 Ω 至 3 Ω
图9. 物理设置
表2. 完整设置设备
设备 制造厂商 类型
示波器 Agilent DSO-X 3034
直流电源 Delta Elektronika SN660-AR-11 （两个串行）
栅极驱动器板 Watt&Well ADUM4135-WW-FJ-01 SN07
波形发生器 Agilent 33522A
电流探针 Hioki 3275
无源电压探针 Agilent N2863B 300MHz
无源高电压探针 Elditest GE3421 100MHz

测试结果

无负载测试

ADuM4135的首个修订版本(AA)已经发布。其中一个变化是：在功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET) Q1和Q2的栅极上添加了4.7 nF的电容。表3和表4概要显示了所观察到的结果，图10至图15显示了结果的依据。测试1和测试3分别在600 V和900 V电压及50 kHz开关频率下进行，而测试2在600 V电压及100 kHz开关频率下进行。

图10. 直流电压(VDC) = 600 V，fSW = 50 kHz，无负载； 红线为低边 VGS；蓝线为低边VDS
图11. VDC = 600 V，fSW = 50 kHz，无负载； 红线为低边 VGS；蓝线为低边VDS.
图12. VDC = 600 V， fSW = 100 kHz，无负载； 红线为低边VGS；蓝线为低边VDS
表3. 无负载测试—对应插图
测试 VDC (V) 开关频率, fsw (kHz) 占空比 (%) 直流损耗 (W) 图示
1 600 50 50 30 图10和图11
2 600 100 50 66 图12和图13
3 900 50 50 63 图14和图15
表4. 无负载测试—温度总结
测试 VDC (V) fsw (kHz) 环境温度
(°C)		 散热器温度
(°C)		 DC-DC电源温度，
高边(°C) 		DC-DC电源温度，
低边(°C) 		栅极驱动器温度，
高边(°C) 		栅极驱动器温度，
低边(°C)
1 600 50 30 57 57 58 57 57
2 600 100 30 67 60 61 65 66
3 900 50 30 70 61 61 65 65
图13. VDC = 600 V，fSW = 100 kHz，无负载； 红线为低边VGS；蓝线为低边VDS
图14.VDC = 900 V，fSW = 50 kHz，无负载； 红线为低边VGS；蓝线为低边VDS
图15. VDC = 900 V， fSW = 50 kHz，无负载； 红线为低边VGS；蓝线为低边VDS

负载测试

ADuM4135的首个修订版本(AA)已经发布。其中一个变化是：在功率MOSFET Q1和Q2的栅极上添加了4.7 nF的电容。与上一节中无负载测试的测试设置类似，表5是观察到的结果摘要，图16至图27显示了结果的依据。测试4、测试5和测试6是在200 V电压、50 kHz开关频率和25%占空比下进行，而测试7是在600 V电压、50 kHz开关频率和25%占空比下进行。测试8和测试9分别在900 V电压及50 kHz和100 kHz开关频率下进行。

输出电流(IOUT)在输出负载电阻R1的输出端测量，而输出电 压(VOUT)就是在R1两端测得的电压。测试结果显示 VGS上有一些米勒反馈，但在SiC的栅极， VGS仍为-4 V电平。在900 V电压下，VDS上出现一些振荡，但其小于30 V的输入直流电 压。该设计表明，ADuM4135能够以优良的性能驱动SiC MOSFET。

图16. VDC= 200 V， fSW = 50 kHz，输出功率(POUT) = 100 W； 红线为低边VGS；蓝线为低边VDS；绿线为输出电流
图17. VDC = 200 V，fSW = 50 kHz，POUT = 100 W； 红线为低边 VGS；蓝线为低边 VDS；绿线为输出电流
图18. VDC= 200 V，fSW = 50 kHz，POUT= 460 W； 红线为低边VGS；蓝线为低边VDS；绿线为输出电流
表5. 负载测试
测试 VDC (V) fsw (kHz) 占空比 (%) IOUT1 (A) VOUT2 (V) POUT3 (W) IIN4 (A) 图示
4 200 50 25 2 48 96 0.59 图16和图17
5 200 50 25 10 46 460 2.39 图18和图19
6 200 50 25 13.3 45 600 3.16 图20和图21
7 600 50 25 10 140 1400 2.42 图22和图23
8 900 50 25 10 204 2040 2.43 图24和图25
9 900 100 25 10 188 1880 2.52 图26和图27

1 IOUT是负载电阻R1中的输出电流。

2 VOUT是R1两端的输出电压。

3 POUT是输出功率 (IOUT × VOUT).

4 IIN是通过U1的输入电流。
图19. VDC = 200 V， fSW= 50 kHz，POUT = 460 W； 红线为低边VGS；蓝线为低边VDS；绿线为输出电流
图20. VDC= 200 V，fSW = 50 kHz，POUT = 600 W； 红线为低边 VGS；蓝线为低边 VDS；绿线为输出电流
图21. VDC= 200 V， fSW = 50 kHz，POUT= 600 W； 红线为低边VGS；蓝线为低边VDS；绿线为输出电流
图22. VDC = 600 V，fSW = 50 kHz，POUT = 1400 W； 红线为低边VGS；蓝线为低边VDS；绿线为输出电流
图23. VDC= 600 V，fSW = 50 kHz，POUT = 1400 W； 红线为低边VGS；蓝线为低边VDS；绿线为输出电流
图24. VDC = 900 V，fSW = 50 kHz，POUT = 2040 W； 红线为低边 VGS；蓝线为低边VDS；绿线为输出电流
图25. VDC = 900 V， fSW = 50 kHz，POUT = 2040 W； 红线为低边VGS；蓝线为低边VDS；绿线为输出电流
图26. VDC = 900 V，fSW = 100 kHz，POUT = 1880 W； 红线为低边VGS；蓝线为低边 VDS；绿线为输出电流
图27. VDC= 900 V， fSW= 100 kHz，POUT = 1880 W； 红线为低边VGS；蓝线为低边VDS；绿线为输出电流

原理图

图28. ADuM4135栅极驱动板原理图

结论

ADuM4135栅极驱动器具有电流驱动能力和正确的电源范围（最大30 V），还有100 kV/µs的强大CMTI能力，在驱动SiC MOSFET时能够提供优良的性能。

测试结果表明，该产品可为驱动SiC的隔离电源、高压栅极驱动器提供解决方案。

作者

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Hans Brueggemann

Hans Brueggemann，理科硕士，出生于不莱梅南部的下萨克森州，获得德国黑森州卡塞尔大学的Dipl. Ing. Nachrichtentechnik（电信理科硕士）学位。作为太阳能光伏功率转换产品的系统设计人员，他具有丰富的专业知识背景，并且拥有一项在太阳能光伏系统中检测电弧的硬件优化方法专利。他目前担任ADI公司太阳能光伏系统工程师，负责客户接洽，推动微处理器和隔离信号路径元件的产品定义。