栅极驱动器功率模块（SiC功率模块栅极驱动器研究）

栅极驱动器功率模块（SiC功率模块栅极驱动器研究）图2a和图2b显示了使用DGD时SiC模块在1 kV和300 A下开关的关断转换。图2a是禁用2L关断时的情况，而图2b显示了2L关断的优化设置。这些优化的设置是使用双脉冲测试发现的。如图 2 所示，DGD 可以降低 V断续器209 V至150 V的过冲和34.51 V/ns至23.83 V/ns的dV/dt过冲，同时增加了开关损耗E关闭从 8.04 mJ 到 11.8 mJ。微芯片技术提供的DGD内核2ASC-17A1HP在关闭电平和关闭时间下分别提供0.25 V和32 ns的分辨率。如图1所示，在这种情况下使用的增强关断（ATOff）由用户定义的栅极电压（Vgs） 电平和时间间隔，在图中指定为“AT 关闭级别”和“AT 关闭时间”。在正常工作情况下，这些参数通过使用两级（2L）关断来控制FET的关断转换，从而延长米勒平台期，从而减慢dV/dt和di/dt转换，从而降低漏极电压（Vds）

赵岳教授和他的PESLA团队一直在领导开发碳化硅基功率转换器的努力，从几千瓦到兆瓦，用于未来的交通电气化和并网应用。

阿肯色州电力电子系统实验室（PESLA）是阿肯色大学电力集团研究开发具有更高功率密度、效率和可靠性的下一代电力电子系统的关键部分。赵岳教授和他的PESLA团队一直在领导开发碳化硅基功率转换器的努力，从几千瓦到兆瓦，用于未来的交通电气化和并网应用。

虽然与Si相比，SiC功率器件的效率和功率密度都有所提高，但由于这些器件允许的快速开关可能引起的潜在过电压过冲和噪声，因此其栅极驱动控制仍然存在挑战。接通和关断瞬变期间的高 dV/dt 和 di/dt 可能导致系统不稳定、可靠性问题和器件故障。为了解决这个问题，用于SiC MOSFET的数字栅极驱动器（DGD）是积极开发的重点。与用于驱动硅的传统模拟栅极驱动器相比，具有微调的外部栅极电阻（RG） （电阻 R刚和 R高夫在将调整导通/关断栅极驱动路径时），DGD提供用户定义的灵活性，并在转换器效率和开关性能之间进行权衡。

在本文中，我们将分享PESLA在75 kW并网逆变器上所做的工作。使用 SiC 半桥功率模块 MSCM170AM058CD-3AG，具有 1 kV 直流链路电压和 480 Vrms 线对线输出电压，额定电压为 1.7 kV，80°C 时为 281 A。DGD基于微芯片技术的专利增强开关方案。

如图1所示，在这种情况下使用的增强关断（ATOff）由用户定义的栅极电压（Vgs） 电平和时间间隔，在图中指定为“AT 关闭级别”和“AT 关闭时间”。在正常工作情况下，这些参数通过使用两级（2L）关断来控制FET的关断转换，从而延长米勒平台期，从而减慢dV/dt和di/dt转换，从而降低漏极电压（Vds） 过冲。将其与所示的模拟方法进行比较，其中通过更改R的值，这将以不太有效的方式完成高夫在栅极驱动器硬件上。因此，DGD允许移除通常与模拟栅极驱动器一起使用的米勒箝位电路。如图1所示，在故障条件下，增强开关允许进一步控制关断瞬变，因此可以避免潜在的灾难性雪崩条件，例如，通过将这些ATOff转换步骤与较小的外部R耦合高夫.

图1

图 1：显示 DGD 增强型关断门控制的基本波形

微芯片技术提供的DGD内核2ASC-17A1HP在关闭电平和关闭时间下分别提供0.25 V和32 ns的分辨率。

图2a和图2b显示了使用DGD时SiC模块在1 kV和300 A下开关的关断转换。图2a是禁用2L关断时的情况，而图2b显示了2L关断的优化设置。这些优化的设置是使用双脉冲测试发现的。如图 2 所示，DGD 可以降低 V断续器209 V至150 V的过冲和34.51 V/ns至23.83 V/ns的dV/dt过冲，同时增加了开关损耗E关闭从 8.04 mJ 到 11.8 mJ。

图2a

图2a：禁用增强开关的逆变器关断转换

图2b

图2b：启用增强开关的逆变器关断转换

PESLA 小组提出了一个成本函数 J，其定义为

其中∆Vds和Eoff是启用增强关断的每次测试中的电压过冲和关断开关损耗，以及∆Vds|con和Eoff|con是禁用增强型关断的过冲和关断损耗。α 和 β 是满足 α β = 1 的称量系数。用户可以根据其应用要求调整α和β的值，以解决电压过冲降低和开关损耗增加之间的权衡。

图3显示了DGD提供的灵活性，使用户能够在这种情况下使用V来权衡开关损耗断续器过头。下图显示了与DGD的最佳权衡的最小成本点。

图3

图 3：使用 DGD 在过冲和开关损耗之间进行权衡

使用两个自变量，ATOff Time和ATOff Level，可以创建3D图形，显示这些参数的变化对开关损耗和性能（如Vds过冲）的影响。佩斯拉小组进行了此类研究在微芯片技术 MSCSM170AM058CT6LIAG 上，这是一款 1.7 kV 硅 MOSFET 相腿功率模块。在该实验中，直流母线电压为1 kV，空芯电感为40 μH，模块关闭300A负载电流。图 4 显示了此模块上 E 的 3D 地图关闭和 ∆V断续器过冲，因为ATOff Time和ATOff Level是可变的。因此，用户可以根据最终用途选择这些参数的权衡。此外，PESLA还证明了DGD在其他碳化硅模块平台上的有效性，例如来自Cree Wolfspeed的模块。

图4

图 4：显示关断损耗和过冲与 AT 关闭时间和 AT 关闭电平函数关系的 3D 地图

SiC MOSFET（与Si相比）的短路耐受时间较差，因此栅极驱动器必须包括实时保护功能，以防电源欠压和过压锁定、去饱和检测和温度监控等故障情况，并具有快速响应时间，以防止灾难性设备和/或系统故障。正在为SiC电源模块开发更复杂的栅极驱动器，包括负载电流和功能安全的实时（~1-ns）分辨率。随着器件功率密度和/或压摆率的增加，这些对于最终应用的使用将越来越重要。

“数字栅极驱动器是研究SiC功率模块开关性能的重要工具，”赵说。“它很智能，无需烙铁即可实现许多可能性。它有可能在转换器级别释放SiC器件的功率，同时解决它们带来的挑战”。