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用于SiC MOSFET的隔離柵極驅(qū)動器使用指南

發(fā)布時(shí)間:2023-07-26 來源:安森美 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】SiC MOSFET 在功率半導(dǎo)體市場中正迅速普及,因?yàn)樗畛醯囊恍┛煽啃詥栴}已得到解決,并且價(jià)位已達(dá)到非常有吸引力的水平。隨著市場上的器件越來越多,必須了解 SiC MOSFET 與 IGBT 之間的共性和差異,以便用戶充分利用每種器件。本系列文章概述了安森美 M 1 1200 V SiC MOSFET 的關(guān)鍵特性及驅(qū)動條件對它的影響,作為安森美提供的全方位寬禁帶生態(tài)系統(tǒng)的一部分,還將提供 NCP51705(用于 SiC MOSFET 的隔離柵極驅(qū)動器)的使用指南。本文為第三部分,將重點(diǎn)介紹NCP51705 SiC 柵極驅(qū)動器的使用指南。


NCP51705 是一種 SiC 柵極驅(qū)動器,具有高度的靈活性和集成性,使其與市場上的任何 SiC MOSFET 完全兼容。如圖 32 所示,NCP51705 頂層框圖包括通用柵極驅(qū)動器常見的許多基本功能,包括:


1. 高達(dá) 28 V 的 VDD 正電源電壓


2. 高峰值輸出電流(6 A 源極和 10 A 漏極)


3. 內(nèi)部 5 V 參考電壓可用于偏置 5 V、高達(dá) 20 mA 的低功率負(fù)載(數(shù)字隔離器、光耦合器、μC 等)


4. 分離信號,電源接地


5. 分離源極和漏極輸出引腳


6. 內(nèi)部熱關(guān)斷保護(hù)


7. 分離非反相和反相 TTL、PWM 輸入


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圖 32:NCP51705 SiC 柵極驅(qū)動器框圖


此外,NCP51705 具備使用最少的外部組件設(shè)計(jì)可靠的 SiC MOSFET 柵極驅(qū)動電路所必需的幾個(gè)獨(dú)特特性(在 TND6237/D 中的分立 SIC 柵極驅(qū)動部分的開頭列出)。NCP51705 獨(dú)特特性的優(yōu)點(diǎn)將在下一節(jié)詳細(xì)介紹。


過電流保護(hù) ? DESAT


NCP51705 DESAT 功能的實(shí)現(xiàn)只需使用兩個(gè)外部組件。如圖 33 所示,通過 DESAT 引腳的 R1 和 D1 監(jiān)測 SiC MOSFET, Q1 的漏極-源極電壓。


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圖 33:NCP51705 DESAT 功能


在 Q1 關(guān)斷期間,漏極-源極端子可能出現(xiàn)幾百伏電壓。一旦 Q1 導(dǎo)通,漏極-源極電壓迅速下降,預(yù)計(jì)在不到幾百納秒的時(shí)間內(nèi)就會發(fā)生從高電壓到接近零電壓的轉(zhuǎn)變。在導(dǎo)通轉(zhuǎn)換期間,DESAT 信號前沿被一個(gè) 500 納秒計(jì)時(shí)器消隱,該計(jì)時(shí)器由一個(gè) 5?Ω 的低阻抗下拉電阻組成。這使 VDS 有足夠的時(shí)間下降,同時(shí)確保 DESAT 不會意外激活。500 納秒過后,DESAT 引腳被釋放,200?μA 電流源通過 R1、D1和 SiC MOSFET 導(dǎo)通電阻提供恒定電流。在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi),如果 DESAT 引腳上升到 7.5 V 以上,則 DESAT 比較器輸出會升高,從而觸發(fā) RS 鎖存器的時(shí)鐘輸入。這種故障將逐個(gè)周期自動終止 Q_NOT 輸出的后沿。SiC MOSFET 的柵極驅(qū)動因此有效地減少了與去飽和故障時(shí)間成比例的時(shí)間量。


200?μA 電流源足以確保 D1 的可預(yù)測正向壓降,同時(shí)也使 R1 的壓降能夠在 SiC MOSFET 導(dǎo)通期間獨(dú)立于 VDS。如果需要,可通過將 DESAT 引腳接地來禁用 DESAT 保護(hù)。相反,如果 DESAT 引腳處于浮動狀態(tài),或者 R1 無法打開,則流經(jīng) 20?kΩ 電阻器的 200?μA 電流源在 DESAT 比較器的非反相輸入端施加恒定的 4 V 電壓。這種情況基本上禁用了 SiC MOSFET 的柵極驅(qū)動。一些應(yīng)用可能傾向于使用電流檢測變壓器來檢測漏極電流,并從外部驅(qū)動 DESAT 引腳。在這種情況下,NCP51705 包括一個(gè) IC 金屬選件,用于移除 20?kΩ 電阻器,使 DESAT 引腳可以用作傳統(tǒng)的逐脈沖、過電流保護(hù)功能。


DESAT 引腳上的電壓 VDESAT 由公式(1)確定為:


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為 ID 分配最大值(留出額外的設(shè)計(jì)裕度)后,選擇 R1 和 ID,使 VDESAT < 7.5 V。重新排列公式(1)并求解 R1 得出:


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除了設(shè)置允許的最大 VDESAT 電壓外,R1 還具有限制通過 D1 結(jié)電容的瞬時(shí)電流的雙重目的。因?yàn)?SiC MOSFET 上的漏電壓 dV/dt 極高,如果 R1 的大小不合適,通過 D1 的 p?n 結(jié)電容的電流可能會變得非常高。因此,應(yīng)優(yōu)先選擇具有最低結(jié)電容的快速高壓二極管。R1 的典型值將接近 5 kΩ< R1 < 10 kΩ 的范圍,但這會根據(jù)所選 SiC MOSFET 的 ID 和 RDS 參數(shù)而發(fā)生變化。如果 R1遠(yuǎn)小于 5 kΩ,進(jìn)入 DESAT 引腳的瞬時(shí)電流可能為數(shù)百毫安。相反,如果 R1 遠(yuǎn)大于 10 kΩ,則 RC 延遲為 R1 和 D1結(jié)電容的乘積。延遲可為 100 μs 量級,從而導(dǎo)致應(yīng)對 DESAT 故障的額外延遲時(shí)間。


充電泵 – VEE (VEESET)


NCP51705 使用單一的正電源電壓運(yùn)行。從單一 VDD 電源電壓運(yùn)行意味著必須從柵極驅(qū)動器 IC 產(chǎn)生負(fù) VEE 電壓。使用開關(guān)電容充電泵是產(chǎn)生所需負(fù) VEE 電壓軌的必然選擇。構(gòu)建充電泵有許多不同的選擇。主要挑戰(zhàn)是在瞬態(tài)條件下保持準(zhǔn)確的電壓調(diào)節(jié),以一定的頻率開關(guān)以減小電容,并最大限度地減少外部組件數(shù)量,從而降低成本并提高可靠性。


從圖 34 所示的充電泵功能框圖可以看出,只需三個(gè)外部電容即可建立負(fù) VEE 電壓軌。充電泵功率級基本上由兩個(gè) PMOS 開關(guān)和兩個(gè) NMOS 開關(guān)組成,這些開關(guān)以橋式結(jié)構(gòu)排列。


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圖 34:NCP51705 VEE 充電泵


如圖所示,外部飛跨電容 CF 連接在橋的每個(gè)支路的中點(diǎn)之間。開關(guān)時(shí)序,每當(dāng)兩個(gè)上部 PMOS 器件同時(shí)導(dǎo)通時(shí),CF 會出現(xiàn) VDD。同樣,每當(dāng)兩個(gè)下部 NMOS 器件同時(shí)導(dǎo)通時(shí),CF 會出現(xiàn) ?VEE。開關(guān)頻率在內(nèi)部設(shè)置為 390 kHz,兩個(gè)上部 PMOS 器件與兩個(gè)下部 NMOS 器件異步切換。290 kHz 的 IC 金屬選件也可用于需要較低充電泵開關(guān)頻率的應(yīng)用。


VEE 被調(diào)節(jié)到在 VCH設(shè)置的電壓,該電壓由 VEESET 可編程的內(nèi)部低壓降穩(wěn)壓器 (LDO) 電壓決定。VEESET 上的電壓會改變內(nèi)部 LDO 看到的增益 (GLDO)。如果 VEESET 保持浮動狀態(tài)(建議使用從 VEESET 到 SGND 的 100?pF 旁路電容),則 VEE 設(shè)置為在 ?3 V 下調(diào)節(jié)。對于 ?5?V VEE 電壓,VEESET 引腳應(yīng)直接連接到 V5V(引腳 23)。如果 VEESET 連接到 9 V 和 VDD 之間的任何電壓,則 VEE 被箝位并設(shè)置為以 ?8 V 的最小充電泵電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng) VDD > 7.5 V 時(shí),充電泵啟動,VEE 電壓軌包括一個(gè)內(nèi)部固定的 UVLO,設(shè)置為編程 VEE 值的 80%。由于 VDD 和 VEE 均由獨(dú)立的 UVLO 電路監(jiān)控,NCP51705 足夠智能,可以在兩個(gè)電壓軌都在特定 SiC MOSFET 負(fù)載的安全范圍內(nèi)時(shí)實(shí)現(xiàn)。


或者,通過完全禁用充電泵,可以實(shí)現(xiàn) 0 V < OUT < VDD 開關(guān)。當(dāng) VEESET 連接到 SGND 時(shí),充電泵被禁用。當(dāng)充電泵被禁用且 VEE 直接與 PGND 相關(guān)聯(lián)時(shí),輸出在 0 V < OUT < VDD 之間切換。需要注意的是,每當(dāng) VEESET 與 SGND 相關(guān)聯(lián)時(shí),VEE 必須與 PGND 相關(guān)聯(lián)。在此工作模式期間,內(nèi)部 VEE UVLO 功能也相應(yīng)禁用。


另一種可能的配置是禁用充電泵,但允許使用外部負(fù) VEE 電壓軌。此選項(xiàng)允許 –VEE < OUT < VDD 切換,因?yàn)槌潆姳梦辞袚Q,所以在 IC 功耗方面略有節(jié)省。當(dāng) VEESET 連接到 SGND 時(shí),外部負(fù)電壓軌可以直接在 VEE和 PGND 之間連接。請注意,由于 VEESET 為 0 V,內(nèi)部 VEE UVLO 被禁用,因此 NCP51705 不知道 VEE 電壓水平是否在預(yù)期范圍內(nèi)。


這種簡單的 VEESET 調(diào)整能夠使用最少的外部組件實(shí)現(xiàn)最高程度的靈活性,同時(shí)滿足最廣泛的 SiC MOSFET 電壓要求。為了方便起見,表 2 中總結(jié)了 VEESET 的可配置性。


表 2:半導(dǎo)體材料屬性

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可編程欠壓鎖定 ? UVSET


用于柵極驅(qū)動器 IC 的 UVLO 對于保護(hù) MOSFET 至關(guān)重要,其工作原理是禁用輸出,直到 VDD高于已知閾值。這不僅可以保護(hù)負(fù)載,而且可以向控制器驗(yàn)證施加的 VDD電壓高于導(dǎo)通閾值。由于與 SiC MOSFET 相關(guān)的低 gm值,最佳 UVLO 導(dǎo)通閾值并非“一刀切”。如果允許驅(qū)動器輸出在較低的 VDD 下切換,可能對某個(gè) SiC MOSFET 不利,但根據(jù)散熱、冷卻和 VDD 啟動時(shí)間,對另一個(gè) SiC MOSFET 而言可能是可接受的。最佳 UVLO 導(dǎo)通閾值也會根據(jù) VDD 電壓軌的導(dǎo)出方式而發(fā)生變化。一些電源系統(tǒng)可能有一個(gè)專用的偏壓電源,而其他系統(tǒng)則可能依賴于類似于圖 36 的 VDD 自舉技術(shù)。


NCP51705 通過可編程 UVLO 導(dǎo)通閾值解決了這一需求,該閾值可通過 UVSET 和 SGND 之間的單一電阻器設(shè)置。如圖 35 所示,UVSET 引腳由 25?μA 電流源內(nèi)部驅(qū)動,串聯(lián)增益為 6。


UVSET 電阻器 RUVSET 根據(jù)公式(3)中定義的所需 UVLO 導(dǎo)通電壓 VON 進(jìn)行選擇。


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圖 35:NCP51705 UVSET 可編程 UVLO


VON 值通常由 SiC MOSFET 輸出特性曲線決定,如 TND6237/D 圖 1 中突出顯示的曲線。由于 SiC MOSFET 的導(dǎo)通電阻顯著增加,即使 VGS 略有降低,允許的 UVLO 滯后必須很小。因此,NCP51705 具有固定的 1?V 滯后,因此關(guān)斷電壓 VOFF 始終比設(shè)置的 VON 低 1 V。


對于包含專用偏壓電源的電源,假設(shè)在電源系統(tǒng)因故障恢復(fù)而啟動軟啟動或重啟之前,VDD 高于所需 VON閾值。對于此類系統(tǒng),需要具有 1?V UVLO 滯后,并且不會因啟動注意事項(xiàng)而產(chǎn)生任何影響。然而,一些電源系統(tǒng)從高電壓開始,然后依賴于自舉繞組的 VDD,如圖 36 所示。


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圖 36:PWM 自舉啟動示例


圖中顯示了具有高電壓 (HV) 啟動能力以及 VON = 17 V 和 VOFF= 9 V 的固定 UVLO 閾值的 PWM 控制器。施加 HV 時(shí),當(dāng) HV = VON = 17 V,內(nèi)部通道開關(guān)打開,PWM 控制器從 CVCC 汲取啟動電流。在此期間,CVCC 正在放電,Q1必須開始切換,以在變壓器自舉繞組中建立電壓。這對可從 RUVSET 編程的允許 VON 施加了限制。UVSET 必須設(shè)置為小于 PWM 控制器的 UVLO VON 的值。圖 37 進(jìn)一步說明了這些啟動細(xì)節(jié),其中 PWM 電壓閾值顯示為藍(lán)色,NCP51705 顯示為紅色。


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圖 37:自舉啟動時(shí)序


為了切換具有最高 VGS 的 SiC MOSFET,需要將 VON設(shè)置為盡可能接近 PWM 控制器的 UVLO 導(dǎo)通。在這樣做時(shí)所進(jìn)行的權(quán)衡意味著在 Δt (t2?t1) 期間 ΔV = 1 V。CVCC 的放電非常淺,因此需要較大的電容值。例如,假設(shè)啟動電流為 1 mA,Δt = 3 ms 且 ΔV = 1 V,則需要用于 CVCC 的 3?μF 電容。相反,如果 VON 設(shè)置為比最小自舉放電電壓 VBOOT(MIN) 高 1 V,則允許 CVCC 在更寬的 ΔV (17 V ? 11 V) 范圍內(nèi)放電,并且可以使用更小的電容值。給定相同的 1 mA,Δt = 3 ms 且允許 ΔV = 6 V,所需的 CVCC 電容值降低至 500 nF;減少了 6 倍。然而,由于 SiC MOSFET 將在 VGS = 11 V 的情況下切換,因此所產(chǎn)生的影響可能很大。顯然,在啟動前將 NCP51705 偏置是首選方法。


數(shù)字同步和故障報(bào)告 – XEN


XEN 信號是 VGS 反相的 5 V 數(shù)字表示。為了報(bào)告驅(qū)動器“狀態(tài)”,PWM 輸入被認(rèn)為更準(zhǔn)確,因?yàn)樗鼇碜?SiC 柵極電壓,傳播延遲大大減少。此信號可以在半橋電源拓?fù)渲杏米鞴收蠘?biāo)志和同步信號,為實(shí)施交叉?zhèn)鲗?dǎo)(重疊)保護(hù)打下基礎(chǔ)。每當(dāng) XEN 為高、VGS為低時(shí),則 SiC MOSFET 為關(guān)斷狀態(tài)。因此,如果 XEN 和 PWM 輸入信號均為高,則檢測到故障狀態(tài),并進(jìn)行數(shù)字分配,以采取可能需要的任何預(yù)防措施。


封裝


WBG 半導(dǎo)體使高壓轉(zhuǎn)換器能夠在更接近低壓(低于 100 V)開關(guān)頻率的情況下工作。對于低壓轉(zhuǎn)換器而言,半導(dǎo)體封裝的發(fā)展對當(dāng)今開關(guān)性能的實(shí)現(xiàn)起到了關(guān)鍵作用。硅 MOSFET 封裝取得了進(jìn)步,例如雙面冷卻、夾焊、熱增強(qiáng)功率封裝和低電感、無引線封裝。同樣,柵極驅(qū)動器 IC 封裝也“瘦身”明顯。更短的管芯到引線、鍵合線連接,加上模制無引線封裝 (MLP),對于最大限度地減少驅(qū)動器側(cè)的寄生電感至關(guān)重要。驅(qū)動器和 MOSFET (DrMOS) 共封裝是減少寄生電感、提高效率和縮小電路板面積的最新步驟。DrMOS 等改進(jìn)所涉及的電壓相當(dāng)?shù)停虼丝梢詫?shí)現(xiàn)。


在高壓轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域,爬電距離和電氣間隙等最小間距要求使得高性能 SiC MOSFET 依然采用低性能 TO?220 型和 TO?247 型封裝。這些封裝已經(jīng)十分完善,長期以來一直是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。它們非常適合工業(yè)應(yīng)用,堅(jiān)固且易于散熱,但其長引線和內(nèi)部鍵合線導(dǎo)致寄生電感更高。SiC MOSFET 現(xiàn)在使這些寄生電感受到熱應(yīng)力、頻率和 dV/dt 速率的影響,以前在高壓硅晶體管中,這是從未設(shè)想到的??梢哉f,SiC 促進(jìn)了對高壓分立封裝的重新思考。


盡管分立組件并非如此,但 SiC 柵極驅(qū)動器能夠充分利用與低壓轉(zhuǎn)換器驅(qū)動器相同的封裝改進(jìn)。NCP5170 管芯封裝成 24 引腳、4 × 4 mm、熱增強(qiáng) MLP,如圖 38 所示。


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圖 38:NCP51705 24 引腳、4 4 mm、MLP 封裝和引腳輸出


所有高電流電源引腳都翻倍,位于 IC 的右半部分。此外,每個(gè)翻倍引腳都通過內(nèi)部雙鍵合線連接到管芯,以實(shí)現(xiàn)盡可能最低的電感。所有低功耗數(shù)字信號僅為單引腳,位于 IC 的左半部分,為 PWM 或數(shù)字控制器提供了方便、直接的接口。


NCP51705 封裝的底部包括一個(gè)電絕緣、導(dǎo)熱、暴露的焊盤。該焊盤未連接到 PGND 或 SGND,但會通過熱通孔連接到隔離銅 PCB 焊盤進(jìn)行散熱。


如果散熱成為一個(gè)問題,應(yīng)特別注意四個(gè)主要的功耗因素:


1. 與驅(qū)動外部 SiC MOSFET 相關(guān)的 OUTSRC 和 OUTSNK 損耗。這些是與開關(guān)頻率成比例的柵極電荷相關(guān)損耗。降低開關(guān)頻率將降低功耗


2. VDD和 V5V 之間的 LDO,能夠提供高達(dá) 20 mA 的電源。切勿加載超過數(shù)字隔離器或光耦合器偏壓的 V5V


3. VDD 和 VCH 之間的 LDO,這是內(nèi)部充電泵的一部分


4. 內(nèi)部充電泵電源開關(guān),可禁用并用外部負(fù)偏壓替換,如充電泵–VEE (VEESET) 一節(jié)所述


系統(tǒng)性能


對于 VDD> 7 V,靜態(tài)電流線性緩升,直至超過設(shè)置的 UVLO 閾值。圖 39 所示的藍(lán)色跡線表示 VDD 與 IDD,無輸入(非開關(guān)),VDD(UVLO)= 12 V,V5V 調(diào)節(jié)器無負(fù)載。對于 7 V < VDD < 22 V,IDD 測量為 0.6 mA < IDD< 2.3 mA。當(dāng) VDD 超過 UVLO 閾值時(shí),中間的平坦線表示 IDD 電流增加約 ~1?mA。


紅色跡線表示在禁用內(nèi)部充電泵的同時(shí)向 IN+ 施加 100 kHz、50% 脈沖輸入的情況。使用 4.99 Ω + 2.2 nF 負(fù)載,這是典型 SiC MOSFET 的等效輸入。外部源極和漏極電阻為 3Ω。對于 12 V < VDD < 22 V,IDD 測量為 3.7 mA < IDD < 5.5 mA。


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圖 39:VDD 與 IDD,非開關(guān)與開關(guān)


圖 40 所示的啟動波形顯示了 VDD 之前出現(xiàn)的 IN +。VDD 從 0 V 上升至 20 V,UVSET = 2 V(未顯示),相當(dāng)于 VDD(UVLO) = 12 V。VEE 被設(shè)置為在 ?5 V 調(diào)節(jié),VEESET = V5V(未顯示),相當(dāng)于 VEE(UVLO) = ?4 V。當(dāng) VEE = ?4 V 時(shí),輸出便會啟用,即使 VDD > 12 V (VDD= 15 V)。還要注意,在近 100 μs 的時(shí)間內(nèi),OUT (VGS) 小于 20 V。根據(jù) VDD 啟動的 dV/dt 速率,該時(shí)間可能更長,因此,在編程 UVSET 時(shí)應(yīng)考慮 SiC MOSFET 的熱應(yīng)力。


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圖 40:CH1?IN+,CH2?VDD,CH3?OUT,CH4?VEE;VDD(UVLO) = 12 V,VEE(UVLO) = ?4 V


圖 41 中顯示了相同的啟動波形,但 UVSET = 3 V(未顯示),相當(dāng)于 VDD(UVLO) = 18 V。在這種情況下,當(dāng) VDD = 18 V 時(shí),OUT (VGS) 便會啟用,即使 VEE < ?4 V (VEE= ?5 V)。哪個(gè) UVLO 占優(yōu)勢取決于 VDD 與 VEE 的 dV/dt 速率。關(guān)鍵點(diǎn)是 NCP51705 輸出被禁用,直到 VDD 和 VEE 都高于或低于各自的 UVLO 閾值。與圖 40 相比,請注意較高的 UVLO 設(shè)置對 OUT (VGS) 的影響,其中第一個(gè) OUT 脈沖出現(xiàn)在 20 V 和 ?5 V 附近。


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圖 41:CH1?IN+,CH2?VDD,CH3?OUT,CH4?VEE;VDD(UVLO) = 18 V,VEE(UVLO) = ?4 V


NCP51705 內(nèi)部充電泵有一個(gè)緩慢的控制回路,其效果可從 VEE 啟動期間觀察到的輕微下沖和 <400 μs 校正中看出,如圖 42 所示。超過 400 μs 時(shí),VEE 電壓穩(wěn)定至 ?3 V、?5 V 或 ?8 V 的調(diào)節(jié)設(shè)定值。


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圖 42:VEE 啟動


關(guān)機(jī)操作平穩(wěn),無毛刺。如圖 43 所示,OUT 停止切換并跟蹤卸載的 VEE。VEE 從 ?5 V 到 0 V 的放電時(shí)間約為 300 ms。


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圖 43:CH1?IN+,CH2?VDD,CH3?OUT,CH4?VEE;關(guān)機(jī)


圖 44 顯示了圖 43 中時(shí)間基準(zhǔn)的放大圖。UVSET 被配置為 3 V (VDD(UVLO) = 18V),內(nèi)部 VDD UVLO 滯后在內(nèi)部固定為 1 V。當(dāng)輸出被禁用時(shí),光標(biāo)位置顯示 VDD = 17 V(18 V?1 V 滯后),即使 VEE= ?4.5 V (VEESET = V5V),并且根據(jù)其 ?4 V UVLO 仍處于活動狀態(tài)。盡管 VDD 的衰減很慢,但在 UVLO_OFF 之后,也可以看到最后一個(gè)輸出脈沖的終止很干凈,沒有雜散脈沖或毛刺。


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圖 44:CH1?IN+,CH2?VDD,CH3?OUT,CH4?VEE;關(guān)機(jī),VDD_UVLO(OFF) = 17 V


導(dǎo)通傳播延遲的測量范圍從 90% IN+ 上升至 10% OUT 上升。盡管 SiC 驅(qū)動器將在更高的 VDD 下工作,但大多數(shù) MOSFET 傳播延遲被指定為切換到 VDD = 12 V 的 1?nF 負(fù)載。


圖 45 顯示了在這些標(biāo)準(zhǔn)測試條件下測得的導(dǎo)通傳播延遲為 19 ns。


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圖 45:CH1?IN+,CH2?VDD,CH4?OUT;上升沿傳播延遲


同樣,關(guān)斷傳播延遲的測量范圍從 10% IN+ 下降至 90% OUT 下降。圖 46 顯示了在相同標(biāo)準(zhǔn)測試條件下測得的關(guān)斷傳播延遲為 22 ns。每個(gè)邊緣的輸出上升和下降時(shí)間約為 5 ns。


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圖 46:CH1?IN+,CH2?VDD,CH4?OUT;下降沿傳播延遲


DESAT 和 XEN 波形分別如圖 47 和圖 48 所示。由于測試僅用于 IC 驗(yàn)證(無功率級),因此將 100?pF 固定電容連接到 DESAT 引腳。圖 47 所示的波形表明 DESAT 低于 7.5 V 閾值,輸出在正常操作下切換。如果 IN+ 頻率降低(導(dǎo)通時(shí)間增加),則 100?pF DESAT 電容將可以充電至更高的電壓。如圖 48 所示,DESAT 電壓已達(dá)到 7.5?V 閾值。輸出后沿在輸入電壓切換為低之前終止。DESAT 小斜坡用于強(qiáng)調(diào)終止的 OUT 脈沖上沒有出現(xiàn)毛刺的事實(shí)。在開關(guān)電源應(yīng)用中,DESAT 引腳上可以使用小型 (<100 pF) 外部電容進(jìn)行高頻噪聲濾波。


XEN 信號與 OUT 信號相反。無論驅(qū)動器是正常運(yùn)行還是面臨 DESAT 故障,XEN 信號都能準(zhǔn)確跟蹤任一情況下的反向 OUT 信號。


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圖 47:CH1?IN+,CH2?OUT,CH3?DESAT,CH4?XEN;VDESAT < 7.5 V


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圖 48:CH1?IN+,CH2?OUT,CH3?DESAT,CH4?XEN;VDESAT = 7.5 V


應(yīng)用


SiC MOSFET 可以適用于目前使用 IGBT 的各種應(yīng)用場景。一些較常見的用途包括高壓開關(guān)電源、混合動力和電動汽車充電器、電氣化鐵路運(yùn)輸、焊機(jī)、激光器、工業(yè)設(shè)備及其他注重高溫操作的環(huán)境。尤其值得一提的兩個(gè)領(lǐng)域是太陽能逆變器和高壓數(shù)據(jù)中心。更高的直流電壓有利于減小線規(guī)厚度、接線盒、互連,并最終最大限度地減少傳導(dǎo)損耗,從而提高效率。目前,大多數(shù)大型光伏系統(tǒng)均采用 1?kV 直流總線,未來趨向于采用 1.5?kV 總線。同樣,使用 380?V 配電網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)中心可以將直流電壓提升至 800 V。


NCP5170 的幾個(gè)基本應(yīng)用示例如下所示。


1.低壓側(cè)開關(guān)


圖 49 顯示了用于低壓側(cè)開關(guān)應(yīng)用的 NCP51705 的頂層示意圖。未顯示隔離,因此控制器和驅(qū)動器之間為直連接口,但情況并非總是這樣。此示意圖旨在說明,要提供全功能、可靠和穩(wěn)健的 SiC 柵極驅(qū)動電路,只需甚少的外部組件。還應(yīng)提及,盡管只需要單一 VDD 電壓軌,但其額定值應(yīng)至少為 50 V/ns,以防止TND6237/D 中的分立 SIC 柵極驅(qū)動一節(jié)中的分立柵極驅(qū)動說明所述的雜散電流脈沖。如果 VDD 電壓軌由專用輔助電源提供,則應(yīng)特別注意設(shè)計(jì)具有超低一次-二次雜散電容的變壓器。


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圖 49:低壓側(cè)開關(guān)示例


2.半橋概念


在半橋電源拓?fù)渲锌梢哉业?SiC MOSFET 更現(xiàn)實(shí)的用途,如圖 50 所示。高功率應(yīng)用傾向于在高壓側(cè)和低壓側(cè)都使用隔離驅(qū)動器。這意味著需要兩個(gè)數(shù)字隔離器。根據(jù)跨越隔離邊界的 IO 的量,此類應(yīng)用的二次側(cè)控制可能存在很大爭議。在這個(gè)簡化示例中,In+ 和 In-(啟用)是來自數(shù)字控制器的僅有的兩個(gè)信號,XEN 從 NCP51705 讀取。XEN 可以作為開發(fā)柵極驅(qū)動時(shí)序、交叉導(dǎo)通預(yù)防、死區(qū)時(shí)間調(diào)整和故障檢測的時(shí)序信息基礎(chǔ)。此外,溫度感測、熱管理(風(fēng)扇控制)和更高級別的故障響應(yīng)也可以由數(shù)字控制器完成。NCP51705 的 V5V 可用于為每個(gè)數(shù)字隔離器的二次側(cè)供電,如圖 50 所示。


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圖 50:半橋概念


3.準(zhǔn)諧振 (QR) 反激式


使用 NCP1340B1 控制器和 NCP51705 SiC 驅(qū)動器設(shè)計(jì)了一個(gè) 100?W 的 QR 反激式轉(zhuǎn)換器,可在 300 V < VIN< 1 kV 的寬輸入范圍內(nèi)工作。此類轉(zhuǎn)換器常見于光伏和工業(yè)應(yīng)用,但當(dāng)基于 IGBT 功率級時(shí),開關(guān)頻率在 65 kHz 的范圍內(nèi)。圖 51 所示的示意圖為 QR 反激式,在 VIN = 300 V 時(shí),頻率在 377 kHz < FS < 430 kHz 之間變化,負(fù)載從 100% 到 25% 不等。


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圖 51:1000 V 至 24 V、100 W、400 kHz、QR 反激式


4.QR 反激式


對于 VIN= 300 V,漏極-源極電壓波形是輸入電壓和反射輸出電壓之和。圖 52 所示的波形突出顯示了在全占空比操作 (VIN= 300 V) 下運(yùn)行的轉(zhuǎn)換器,其中 720 V 出現(xiàn)在 SiC MOSFET 的漏極-源極上。VDS 上升過渡約為 30 ns,相當(dāng)于 dVDS/dt = 24 V/ns。NCP1340B1 QR 控制在 VDS 下降沿實(shí)現(xiàn)軟諧振過渡和谷值開關(guān)(在最小 VDS 諧振時(shí)“接近 ZVS”導(dǎo)通),這在藍(lán)色波形上清晰可見。由于 QR 反激式是僅限低壓側(cè)的應(yīng)用,并且 dVDS/dt 下降沿為諧振,因此 SiC MOSFET 可能在 0 V < VGS < 20 V 之間可靠切換。盡管如此,圖 51 所示的設(shè)計(jì)選擇在 ?5 V < VGS < 20 V 之間切換,從而在增加?xùn)艠O電荷的輕微代價(jià)下,實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)健的切換。


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圖 52:CH3 = VDS,CH4 = VGS;VIN = 300 V,VOUT = 24 V,IOUT = 4 A,F(xiàn)S = 377 kHz


通用 NCP5170 客戶 EVB


通用評估板 (EVB) 旨在評估 NCP51705 在新設(shè)計(jì)或現(xiàn)有設(shè)計(jì)中的性能。EVB 不包括功率級,不專用于任何特定拓?fù)?,由此可見它是通用的。它可用于任何低壓?cè)或高壓側(cè)電源開關(guān)應(yīng)用。對于橋接配置,可以在圖騰柱型驅(qū)動配置中的每個(gè) SiC MOSFET 處使用這些 EVB 中的兩個(gè)或以上。EVB 可被視為隔離器 + 驅(qū)動器 + TO?247 分立模塊。EVB 示意圖如圖 53 所示。


重點(diǎn)是提供一種超緊湊的設(shè)計(jì),其中 TO?247 SiC MOSFET 的引線可以直接連接到印刷電路板 (PCB)。圖 54 同時(shí)顯示了相鄰 TO?247 封裝旁邊的 EVB 的頂視圖和底視圖進(jìn)行尺寸縮放。


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圖 53:NCP5170 Mini EVB 示意圖


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圖 54:NCP5170 Mini EVB – 頂視圖 (35 mm x 15 mm)


當(dāng)安裝到現(xiàn)有電源設(shè)計(jì)中,并且 TO?247 前面有可用的 PCB 區(qū)域時(shí),EVB 可以水平安裝到主電源板上,如圖 55 所示。如果可能,這應(yīng)該是首選的安裝方法。


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圖 55:水平 EVB 安裝


如果主電源板上的大型組件妨礙水平安裝,則第二種選擇是垂直安裝 EVB,使其與 T0?247 封裝平行或略微傾斜。由于驅(qū)動器與 TO?247 漏極接頭發(fā)出的高 dV/dt 非常接近,因此不太傾向于采用這種方式安裝。在任何一種情況下,TO?247 封裝的后接頭都保持暴露狀態(tài),如有必要,可將其連接到散熱器上。有關(guān)安裝和操作詳細(xì)信息,請參見 EVB 用戶指南。


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圖 56:垂直 EVB 安裝


EVB 最初配置為接受正輸入邏輯的 PWM 信號(連接到 GND1 的 IN?)。但如果需要,IN? 可輕松用作主動啟用或重新配置為反相輸入邏輯。驅(qū)動器輸出預(yù)配置為 0 V < VOUT < VDD 開關(guān)。所有連接和電阻器占位符都可用于為 ?3 V、?5 V 或 ?8 V VEE開關(guān)重新配置 VEESET。最后,UVSET 選項(xiàng)被預(yù)編程為 17?V 導(dǎo)通操作,這被認(rèn)為是 SiC MOSFET 的安全級別。


參數(shù)性能


使用眾所周知的雙脈沖測試平臺對 MOSFET 和 IGBT 進(jìn)行參數(shù)化表征。雙脈沖測試方法基本會向被測器件 (DUT) 低壓側(cè) SiC MOSFET 的柵極-源極施加兩個(gè)脈沖。DUT 被插入到與圖 57 所示的鉗位電感開關(guān)電路相連的插座中。


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圖 57:雙脈沖測試電路和波形


調(diào)整第一個(gè)脈沖的導(dǎo)通時(shí)間,以獲得所需的峰值漏極-源極電流。電感器很大,關(guān)斷時(shí)間足夠短,因此 IL1 在關(guān)斷續(xù)流期間幾乎保持恒定。因此,第二個(gè)更短的脈沖以相同的漏極-源極電流幅度施加。該測試方法可精確控制 ID 和 VDS,這是建立動態(tài)開關(guān)、參數(shù)性能以及對器件進(jìn)行基準(zhǔn)測試所必需的。


雙脈沖測試方法也可用于表征柵極驅(qū)動器性能。在SiC、DUT固定的情況下,當(dāng)U1成為新的"DUT"時(shí),可以對各種柵極驅(qū)動電路進(jìn)行表征。在圖53和圖54所示的NCP5170 EVB和圖58所示的簡單光耦合器柵極驅(qū)動電路之間,對dV/dt和dI/dt開關(guān)性能進(jìn)行了比較。


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圖 58:FOD8384 SiC 光耦合器柵極驅(qū)動電路


FOD8384 光耦合器驅(qū)動器能夠承受高達(dá) 30 V 的 VDD 偏壓,因此非常適合?5 V < VGS< 20 V 開關(guān)。與圖 58 中的示例類似,F(xiàn)OD8384 驅(qū)動器不是完整的 SiC MOSFET 柵極驅(qū)動電路。因此,由于兩種電路的特性沒有可比性,測試結(jié)果和比較僅限于動態(tài)開關(guān)。


圖 59 和圖 60 分別顯示了兩種電路的上升和下降 VGS 波形,以供比較。兩種電路都使用了 1 Ω 的源極和漏極柵極電阻。這些柵極驅(qū)動邊緣被顯示為驅(qū)動 1.2 kV、SiC MOSFET,VDS 上顯示 600 V,流過 ID 的電流為 30 A。NCP51705、VGS 上升沿在 ?5 V < VGS < 10 V 時(shí)表現(xiàn)為純電阻,然后在 10 V < VGS < 20 V 時(shí)為電容性 RC 充電。這顯示了 NCP51705、6 APK 的源電流與 FOD8384 的 1 APK 源電流的比較情況。NCP51705 的 VGS 上升時(shí)間為 37.5 ns,而 FOD8384 開關(guān)在相同測試條件下則為 57.6 ns。同樣,NCP51705 的 VGS 下降時(shí)間為 25.2 ns,而 FOD8384 則為 34.5 ns。


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圖 59:VGS 上升沿比較


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圖 60:VGS 下降沿比較


設(shè)計(jì)良好的柵極驅(qū)動器 IC 包括低源極和漏極阻抗,使得 SiC MOSFET 漏極可以由柵極精確控制。其次,最大限度地降低驅(qū)動器輸出阻抗對于允許 SiC MOSFET 達(dá)到最高自然 dV/dt 至關(guān)重要。SiC MOSFET 的自然 dV/dt 限值與 RLO + RGATE + RGI 成反比。當(dāng) RLO 高于必要值時(shí),SiC MOSFET 的自然 dV/dt 限值降低。這使得器件更容易受到 dV/dt 引起的導(dǎo)通的影響,并限制了通過選擇 RGATE 可以實(shí)現(xiàn)的 dVDS/dt 控制量。圖 61 所示的 NCP51705 VDS 波形揭示了改變 RGATE 即可實(shí)現(xiàn)的高度 dVDS/dt 控制。對于 RGATE = 1 Ω,dVDS/dt = 72 V/ns。將 RGATE 從 1 Ω 增加到 15 Ω 會使 dVDS/dt 從 72 V/ns 降低到 68 V/ns。這表明,如果需要,可以使用高得多的 RGATE 來逐步降低 dVDS/dt。


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圖 61:NCP51705 VDS 上升沿,可變柵極電阻


使用 FOD8384 光耦合器柵極驅(qū)動器完成了相同的實(shí)驗(yàn)。從圖 62 所示的波形中發(fā)現(xiàn),RGATE 從 1 Ω 變成 15 Ω 導(dǎo)致 dVDS/dt 速率變化超過 2:1。由于 FOD8384 驅(qū)動器輸出阻抗更高,dVDS/dt 控制更受 RGATE 較小變化的影響。此外,請注意,NCP51705 的 dVDS/dt 上升相對而言更為線性。


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圖 62:FOD8384 VDS 上升沿,可變柵極電阻


圖 63 所示的波形比較了在 RGATE = 1 Ω 的情況下,從 ?5 V < VGS < 20 V 切換相同負(fù)載的每個(gè)驅(qū)動器的 VDS。dVDS/dt 速率在 72 V/ns 與 64 V/ns 時(shí)表現(xiàn)相當(dāng)。NCP51705 表現(xiàn)出更好的阻尼和更低振幅的振鈴。


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圖 63:VDS 上升沿比較,1 Ω 柵極電阻


NCP51705 實(shí)現(xiàn) dVDS/dt 控制的另一種方式是通過改變 VEE 的負(fù)振幅電平。這可以通過根據(jù)表 2 配置 VEESET 引腳或使用施加到 VEE 的外部負(fù) DC 電源來實(shí)現(xiàn)。圖 64 中的波形顯示了當(dāng) VEE 在 ?6 V < VEE < 0 V 之間變化時(shí) dVDS/dt 的變化。請注意在 0 V < VGS < 20 V 時(shí)低 VDS 下的強(qiáng)拐點(diǎn)和電容特性。這是因?yàn)?SiC MOSFET 的一些剩余柵極電荷沒有完全關(guān)斷,并突出了在關(guān)斷期間驅(qū)動 VGS 負(fù)極的重要性。


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圖 64:NCP51705 VDS 上升沿,可變 VEE


圖 65 所示的漏極電流測量是使用 Pearson 電流探頭進(jìn)行的。NCP51705 電流在 dID/dt = 3.2 A/ns 時(shí)下降,但與 FOD8384 驅(qū)動電路相比,表現(xiàn)出的振鈴較少。NCP51705 更快的 dID/dt 與圖 60 所示的 VGS 下降沿波形密切相關(guān)。


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圖 65:ID 下降沿比較


雙脈沖測試方法是傳統(tǒng)上用于表征分立功率半導(dǎo)體器件的動態(tài)開關(guān)性能的測試程序。由于在導(dǎo)通和關(guān)斷期間可以精確控制施加的 VDS 和初始 ID,該測量技術(shù)已被證明是表征箝位電感開關(guān)應(yīng)用電路中柵極驅(qū)動器 IC 性能的可靠方法。



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