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25kW SiC直流快充设计指南(第六部分):用于电源模块的栅极驱动系统

2022-05-31 12:26:32 安森美(onsemi) 阅读:
本文的基础是使用安森美新型 SiC 模块构建 25 kW 快速电动汽车充电桩获得的经验。在此设计中,我们将使用安森美的 IGBT 电流隔离栅极驱动器作为起点,并介绍使用新的专用 SiC 电流隔离栅极驱动器进行的改进。本文介绍的所有栅极驱动器系列都采用相同的隔离技术和输出级技术。

在本系列文章的第一至第五部分[1-5]中,我们从硬件角度和控制策略上广泛介绍了 25 kW 电动汽车充电桩的开发。图 1 代表到目前为止所讨论的系统。OA3ednc

在第六部分中,我们将注意力转向驱动 SiC MOSFET 所需的栅极驱动电路。由于这些晶体管更加高效和可靠,它们在功率半导体市场中迅速普及。随着市场上的器件越来越多,设计人员必须了解 SiC MOSFET 与硅 (Si) IGBT 和硅超结型 (SJ) MOSFET 之间的共性和差异,以便用户充分利用每种器件。OA3ednc

本文的基础是使用安森美新型 SiC 模块构建 25 kW 快速电动汽车充电桩获得的经验。这些模块使用安森美的 M1 1200V SiC MOSFET。我们将了解如何在大功率应用中设计和调整耦合栅极驱动器和 SiC MOSFET 的组合。OA3ednc

在此设计中,我们将使用安森美的 IGBT 电流隔离栅极驱动器作为起点,并介绍使用新的专用 SiC 电流隔离栅极驱动器进行的改进。本文介绍的所有栅极驱动器系列都采用相同的隔离技术和输出级技术。OA3ednc

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 1.25 kW 电动汽车直流充电桩的高级框图。OA3ednc

栅极驱动需求:SiC MOSFET、硅 IGBT 与 SJ MOSFET

对于 IGBT 和 MOSFET(硅和碳化硅),必须对栅极充电才能导通器件,必须对栅极放电才能关断器件。对于这两种情况来说,电流在某种程度上通用,如图 2 所示。OA3ednc

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2.栅极驱动电路导通 (a) 和关断 (b) 时的电流路径分别显示为绿色和红色箭头。OA3ednc

但是,这三种器件(IGBT、硅 SJ MOSFET 和 SiC MOSFET)的栅极电压范围不同。对于 IGBT,导通电压约为 15 V,关断电压通常约为 -8 V。对于 SJ MOSFET,导通电压约为 10 V,关断电压通常为 0 V。对于 SiC MOSFET,当栅极电压增加时,RDS(ON) 减小,因此可施加最大栅极电压以实现最大效率。因此,栅极导通电压可以在 15 V 到 20 V 之间变化,具体取决于技术或产品代次。OA3ednc

导通电压低于 15 V 时,SiC MOSFET 曲线斜率为负,因此器件很难并联。关断电压可以从 0 V 降低到 -5 V。安森美 SiC MOSFET 可以采用 0 V、-3 V 或 -5 V 阻断,具体取决于栅极驱动器电路的效率和复杂性之间的折衷,有时候也取决于使用第几代 SiC MOSFET。栅极电压(或导通电压)的范围直接影响栅极驱动器所需的欠压锁定 (UVLO)。OA3ednc

作为第一种方法,IGBT 栅极驱动器输出电压范围更类似于 SiC MOSFET 的需求,而不是 SJ MOSFET 的需求。首先,强烈建议在开关应用中使用带有 SiC MOSFET(如 IGBT)的负偏压栅极驱动,以便在高 di/dt 和 dV/dt 开关期间,减少由非理想 PCB 布局引入的寄生电感而导致的功率晶体管栅极-源极驱动电压的振铃。此外,由于我们的 SiC MOSFET 的阈值电压约为 1.5 V,负电压阻断为噪声(由 dV/dt 和 di/dt 引起)在关断状态下产生不必要的导通提供了更大的容限。OA3ednc

其次,负电压阻断使关断状态下的漏电流更低。因此,静态损耗会更低。最后,负电压阻断比零电压阻断的导通和关断时间更快或更短。OA3ednc

为了获得快速导通和关断,或在漏极/集电极电压瞬变期间保持输出稳定,输出驱动器级需要非常低的输出阻抗。驱动电流的最大值取决于应用的额定功率,所有类型的器件在这一点上都相似。OA3ednc

为栅极充电所需的最大电流取决于OA3ednc

  • 所需的栅极电荷量
  • 拓扑(硬开关或软开关,即 ZVS),
  • 通过(外部加内部)栅极电阻限制 EMI 所需的最大 dV/dt。

即使(外部加内部)栅极电阻限制了应用中的电流值,驱动器能够提供和吸收的电流也应高于所需最大电流。这将有助于提供安全裕量,在最高工作温度下保持所需的最大电流,并防止驱动器因自发热而降低电流能力。OA3ednc

由于 SiC MOSFET 与 IGBT 或 SJ MOSFET 相比,导通和关断速度显著提高,SiC 器件可以在比硅器件高得多的开关频率下工作。因此,在半桥配置中,开关节点电压的变化速率非常快。使用 SiC MOSFET 可以实现高达 100 V/ns 的 dV/dt。驱动器应该能够提供和吸收由米勒电容器(或漏极/集电极和栅极之间的电容)施加到栅极的 dV/dt 感应的所需电流。在此 dV/dt 瞬态期间,栅极驱动器输出信号应始终设定在输入信号给定的值。OA3ednc

为了补充吸收吸收电流能力或加强米勒效应电流吸收,可以使用栅极箝位。该箝位将以非常低的阻抗加固阻断电压,并绕过阻断或关断栅极电阻。箝位作用时间从关断之后一直到导通的早期开始时为止。该技术适用于驱动大米勒电容器件时所需功率非常高的情况。我们的 25 kW 电动汽车充电桩应用就是这样一个案例。OA3ednc

此外,在隔离驱动器或浮动驱动器情况下,SiC 器件驱动器的驱动器输入级和输出级之间的共模瞬态抗扰度 (CMTI) 应强于硅器件驱动器。施加的栅极驱动电压应保持稳定。OA3ednc

总而言之,对于所有类型的开关,在开关节点、漏极/集电极或驱动器输入级和输出级之间 dV/dt 期间,驱动器输出端不应出现毛刺。但是,由于 SiC MOSFET 的速度更快,因此 SiC MOSFET 驱动器在这些要求(更高的 CMTI 和 dV/dt 抗扰度、更高的额定电流和更低的输出阻抗)方面会更严格。OA3ednc

由于我们采用的半桥架构开关速度很快,因此时序是一个重要的关注点。当器件在半桥中工作时,需要考虑两个时序参数:从输入到输出的传播延迟以及两个驱动器或两个输出之间的延迟失配。OA3ednc

对于 SiC,由于开关频率有可能高于 100 kHz,因此传播延迟会影响占空比精度。失配会影响两次开关之间的死区时间。对于 SiC 驱动器,低于 50 ns 的传播延迟和低于 10 ns 的延迟失配较为合适。OA3ednc

对于高速应用,可使用硅或 SJ MOSFET 栅极驱动器驱动 SiC MOSFET,它们通常比 IGBT 驱动器更快。但是,这些驱动器可能无法提供所需的输出电压范围。这些驱动器的导通电压(或输出电压摆幅)通常受限为 15 V。这对于 SiC MOSFET 来说太低了。此外,大多数硅 MOSFET 驱动器不支持负电压阻断。OA3ednc

25 kW 应用的具体要求

上升/下降时间和源极/漏极电流要求

由于需要控制 EMI,我们将限制 dV/dt,但也不能过多,这样才能缩短死区时间(或加快导通/关断时间)并实现高效率。如 AND90103/D[6]中所述,其栅极电阻的范围为 2 至 5 Ω,SiC MOSFET 的 dV/dt 范围可达 20 至 40 V/ns。因此,选择栅极电阻时已考虑了这个范围。通过评估导通/关断时间期间的 dV/dt,利用 SPICE 仿真对栅极电阻值的选择进行了调整和验证。OA3ednc

电气隔离

在硬件开发过程中,我们遵照 IEC-61851 标准,该标准要求遵守 IEC-60664-1 规则。我们假设工作电压接近最大值 1000 V。NCD57000[7] 栅极驱动器是一个不错的选择。该驱动器的电介质强度隔离电压超过 5 kVrms,工作电压 VIORM 能力超过 1200 V,符合 UL 1577 标准。宽体 8 毫米爬电距离有助于满足爬电距离/电气间隙要求。OA3ednc

特性和保护

以下栅极驱动器特性提高了 SiC MOSFET 电源实现的稳健性,提高了应用的效率和可靠性。这些主要特性包括:OA3ednc

  • 共模瞬态抗扰度是 SiC 应用的关键参数。NCD57000 可提供 100 kV/µs 的抗扰度。
  • 有源米勒箝位
  • DESAT 保护
  • DESAT 下的软关断。

NCD57000 IGBT 驱动器集成了所有这些特性。它还包括负驱动或负关断电压。OA3ednc

SiC MOSFET 的栅极驱动器电源

使用 SECO-LVDCDC3064-SIC-GE​​VB[8]隔离电源作为 SiC 驱动电路的电源,可提供所需的 -5 V 和 20 V 稳定电压轨,高效驱动 SiC 晶体管。变压器安全规范符合 IEC 62368-1 和 IEC 61558-2-16 标准,具有 4 kVac 的电介质绝缘特性。OA3ednc

SiC 栅极驱动器的实现

DESAT 保护计算

按照 AND9949/D[9]计算 SiC 晶体管的去饱和电流。使用 14.3 kΩ 的电阻将 DESAT 电流设置为在 85 至 115 A 范围内触发(图 3)。在原型阶段对 DESAT 电流进行评估和微调。OA3ednc

已考虑了以下因素:OA3ednc

VTH = 9.0 V,RDS(ON) = 11 mΩ(100 A 时),US1MFA,VF =309.5 mV(500 μA 时)(仿真)。OA3ednc

置于 DESAT 引脚上的 22pF 电容可使消隐时间增加 430 ns,以获得 880 ns 的总消隐时间。数据手册中给出的内部滤波时间为 320 ns,因此对去饱和事件的总反应时间等于 1.2 μs。加上关断 SiC 晶体管所需的时间,DESAT 动作所需的总时间低于 2.0 μs。OA3ednc

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 3.栅极驱动器 NCD57000  DESAT 功能元件(计算值)连接。OA3ednc

通过仿真验证 SiC MOSFET 开关

PFC 以及 DC-DC 功率级仿真模型包括一个栅极驱动器模型,以评估栅极-源极电阻 RG1 = 1.8 Ω 和 RG2 = 100 kΩ 的开关性能(参见图 4 以了解 RG1 和 RG2 的定义或位置)。OA3ednc

在本例中,只有 RG1 对 SiC MOSFET 栅极电容的放电起作用。PFC 模型包含三个半桥 SiC 模块以及栅极驱动器。但是图 4 中只显示了一个半桥连接。SiC 模块 SPICE 模型参见本系列文章的第三部分[3]OA3ednc

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 4.PFC  A 的功率级和栅极驱动器模型。OA3ednc

驱动器级对系统性能影响显著(对于基于 SiC 的系统来说更是如此)。因此,强烈建议将其纳入仿真——至少在某种程度上。OA3ednc

挑战之一是,现有的栅极驱动器模型通常非常复杂,它们会减慢仿真速度,增加仿真运行时间,因为它们包含了驱动器的所有特性(如 UVLO、箝位和 DESAT 等)。一般来说,对于功率级仿真,更具体地说,对于本项目的目标,栅极驱​​动器的简化模型就足够了。我们构建的模型只包括传播延迟和输出级特性或性能。OA3ednc

尽管在各种驱动器的数据手册中通常并未直接提供详细的 I-V 特性,但对于某些给定点,使用额定驱动器输出能力(吸收吸收电流 IPK-SNK1 和输出电流 IPK-SRC1 峰值电流,具体请参见 NCD57001 数据手册[10]),结合传播延迟信息,即可得到输出特性的近似值。该近似方法提高了仿真准确性,同时仍能提供可接受的仿真时间。图 5 显示了基于数据手册中的值创建的 NCD57001 栅极驱动器 SPICE 模型。OA3ednc

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 5.基于数据手册值的 NCD57001 SPICE 简化模型。OA3ednc

关转换的仿真:导通和关断

评估 PFC 级开关性能的关键参数之一是开关转换速度(见图 6),换言之,即 MOSFET 的 dV/dt。理论上,开关转换速度越快,表现出的开关损耗越低,效率越高。OA3ednc

但是,开关速度还受其他因素的限制。例如,晶体管本身对如此高的梯度变化以及由快速转换产生的 EMI 或其他共模 (CM) 噪声的耐受能力。OA3ednc

布局本身以及寄生电感和寄生电容也对其增加了限制。OA3ednc

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 6.PFC  MOSFET 的导通波形。OA3ednc

图 7 在本模拟中给出的配置下,dV/dt值超过了66V/ns,唯独宽禁带技术才能对应这样的高速开关。实际上,如此高的dV/dt仍然会有高风险(即使是SiC模块),寄生电感产生的超高过压尖峰可以轻易的超过器件的耐压上限。OA3ednc

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 7.低压侧相 A SiC MOSFET 导通速度是输入电压与电感和输出电容值的函数。OA3ednc

调整栅极电阻是最简单的方法来减少dV/dt。更大的栅极电阻值能减少开关速度,同时减少整体设计的风险,但也会带来缺点,即少许的功率损失(因为开关速度没有那么快)。OA3ednc

基于这项仿真的结论,我们决定做一个折中方案,换一颗阻值大一点的栅极电阻(1.8Ω—>4.7Ω)以确保MOS管导通时的dV/dt在25V/ns左右。这将作为验证实际硬件板时的初始值。OA3ednc

按照类似方法处理关断转换。图8 和 9 显示了这些仿真的结果。采用 1.8 Ω 栅极吸收电流电阻(与导通仿真中使用的值相同),关断转换速度也很快(高达 40 V/ns)。在原型设计中,将吸收电流电阻值增加至 3.3 Ω,以将关断转换调整到 25 V/ns 左右。OA3ednc

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 8.低压侧相 A SiC MOSFET 关断速度是输入电压与电感和输出电容值的函数。OA3ednc

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 9.PFC  MOSFET 的典型关断波形。OA3ednc

PCB 布局和建议

为了消除或最小化 PCB 寄生效应,SiC 驱动电路布局在 SiC 电源设计中至关重要。良好布局安排的一些建议和示例如图10 和 11 所示。输出电流、吸收电流和箝位走线(见图 10)应尽可能短。通过 VDD 和 VEE 去耦电容闭合输出/吸收电流路径(如图 102所示)。它们必须尽可能靠近 VDD 和 VEE 栅极驱动器引脚放置,如图 11 所示。OA3ednc

电容值应当足够大,以便在维持 VDD 和 VEE 电平的同时,能够馈送吸收电流和源电流峰值。这些去耦电容还应该具有非常小的寄生效应,并且是高频电容。OA3ednc

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 10.SiC 栅极驱动电路 PCB 布局。箭头分别以绿色、红色和浅蓝色显示源电流、吸收电流和箝位电流路径。OA3ednc

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 11.建议放置 VEE  VDD 电容。OA3ednc

SiC 栅极驱动的未来增强功能

以上讨论的 NCD570xx IGBT 栅极驱动器系列足以满足 SiC MOSFET 栅极驱动器在大功率应用中的要求。然而,使用先进的电流隔离变压器版本,可以获得更快的传输时间和更小的延迟失配。OA3ednc

结合这一改进,新款 NCP5156x[11]栅极驱动器系列也可用于驱动 SiC MOSFET。栅极电压范围已调整为符合每一代的 SiC MOSFET 栅极开/关电压;并且已针对栅极电压范围的值调整了 UVLO。OA3ednc

NCP5156x 系列的主要特性包括 36 ns(典型值)的传播延迟。每个通道的最大延迟匹配时间为 8 ns;输出电源电压范围为 6.5 V 至 30 V,支持 5 V、8 V 和 17 V UVLO 阈值电压,CMTI >200 V/ns;从输入到每个输出的电隔离为 5 kVrms(UL 1577 额定值),输出通道之间的峰值差分电压为 1200 V;用户可编程死区时间和 4.5 A/9 A 源电流峰值和吸收电流峰值(图 12)。OA3ednc

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 12.NCP51561 框图。OA3ednc

当输出级只提供单个电源(或单极性)轨时,下述原理图利用齐纳二极管,可获得正负电源(或双极性)电压(见图 13)。OA3ednc

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 13.在单端隔离偏置电源上使用齐纳二极管的负偏压。OA3ednc

图 14 显示了在 SiC MOSFET 栅极驱动应用的 NCP51561 的单端隔离电源上,利用齐纳二极管实现负偏压的实验结果。该示例设计旨在通过使用 20V 隔离电源,以器件源极为基准电压源,提供 +15 V 和 -5.1 V 的驱动能力。OA3ednc

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 14.在单端隔离电源上使用齐纳二极管实现负偏压的实验波形(其中,CH1:输入 [2 V/div]CH2:输出 [5 V/div])。OA3ednc

由于 NCP5156x IC 为集成米勒箝位电路,因此更推荐将其用于低功率 SiC MOSFET 应用。对于数十千瓦级以上的功率,推荐使用本文所示的米勒箝位。为此,我们将推出具有扩展栅极电压范围的新器件 NCD57100 和 NCD57101(分别与 NCD57000 和 NCD57001 引脚兼容)。OA3ednc

这种新的扩展栅极电压范围更适合驱动 SiC MOSFET。在新器件 NCD571xx 中,该范围最高可达 36 V,而在本 25 kW 电动汽车充电桩应用中使用的 NCD570xx 则为 25 V。OA3ednc

总结

本文详细介绍了在 25 kW 功率应用中针对 SiC MOSFET 设计和调整栅极驱动器时必须考虑的因素。本文从现有的 NCD57001 IGBT 电隔离栅极驱动器入手,进而讲解了在专用 SiC 电隔离栅极驱动器中所做的改进,并介绍了用于驱动 SiC MOSFET 的新器件系列 NCP5156x 和 NCD571xx。OA3ednc

SiC MOSFET 的速度比现有的硅 MOSFET 和 IGBT 快很多。因此,SiC MOSFET 驱动器需要更高的共模瞬态抗扰度和 dV/dt 抗扰度、更高的额定电流和更低的输出阻抗。利用本文中提到的器件、技巧和窍门,设计人员可以实现其应用所需的 SiC MOSFET 驱动器的性能。OA3ednc

参考

1. “25kW SiC直流快充设计指南(第一部分): 有关电动车应用” by Karol Rendek and Stefan Kosterec,OA3ednc

2. “25kW SiC直流快充设计指南(第二部分):方案总览” by Karol Rendek and Stefan KosterecOA3ednc

3. “25kW SiC直流快充设计指南(第三部分):PFC仿真” by Karol Rendek and Stefan KosterecOA3ednc

4. “25kW SiC直流快充设计指南(第四部分):DC-DC 级的设计考虑因素和仿真” by Karol Rendek and Stefan KosterecOA3ednc

5. “25kW SiC直流快充设计指南(第五部分):控制算法、调制方案和反馈” by Karol Rendek and Stefan KosterecOA3ednc

6. “onsemi 第一 1200 V SiC MOSFET 和模块:特性和驱动建议 ”应用指南 AND90103/D。OA3ednc

7. “NCD57000:具有内部电流隔离的隔离式大电流和高效率 IGBT 栅极驱动器” 产品页数据手册OA3ednc

8. SECO-LVDCDC3064-SIC-GEVB:“6-18 Vdc 输入隔离式 SiC 栅极驱动器电源 +20V/-5V/5V 与汽车认证 NCV3064 控制器”评估板。OA3ednc

9. “NCD(V)57000/57001 栅极驱动器设计说明” 应用指南 AND9949/D。OA3ednc

10. “NCD57001:具有内部电流隔离的隔离式大电流和高效率 IGBT 栅极驱动器”产品页数据手册OA3ednc

11. NCP515615 kVRMS 隔离双通道 4.5/9 A 栅极驱动器产品页面OA3ednc

作者:安森美Karol RendekStefan KosterecDidier BaloccoAniruddha Kolarkar Will AbdehOA3ednc

责编:Franklin
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