利用AgileSwitch? Augmented Switching? 柵極驅(qū)動器對SiC功率模塊進行表征

利用AgileSwitch Augmented Switching 柵極驅(qū)動器 對62 mm SiC 功率模塊進行表征

開關(guān)SiC MOSFET功率模塊會產(chǎn)生兩個嚴重問題：關(guān)斷電壓過沖和振鈴。為了優(yōu)化器件性能，必須要解決這兩個問題。我們需要在保持開關(guān)效率的同時控制這兩個寄生問題。Microchip 的AgileSwitch系列柵極驅(qū)動器已獲得專利，該系列產(chǎn)品通過在關(guān)斷期間將柵極電壓值和停留時間調(diào)整為一個或多個中間值來控制關(guān)斷 di/dt，從而解決了這些問題。這個過程通常稱為 Augmented TurnOff或ATOff。




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

Augmented Turn-Off 的優(yōu)勢如下： 1. 減少開關(guān)損耗 2. 對導(dǎo)通 dv/dt 進行精細控制 3. 降低關(guān)斷過沖電壓 4. 穩(wěn)健的短路保護和響應(yīng)性能

主要內(nèi)容

簡介

本報告概述了 62 mm SiC 半橋模塊的表征過程。我們 將 AgileSwitch 2ASC-12A1HP 柵極驅(qū)動器內(nèi)核連接 至 AgileSwitch 62CA1 模塊適配器板，然后進行測試。


圖 2： 將已連接 62CA1 適配板的 2ASC12A1HP SiC 驅(qū)動器內(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

雙脈沖測試


硬件設(shè)置

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

軟件設(shè)置

雙脈沖配置

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



Augmented Switching 配置

為清晰起見，圖 5 中的開關(guān)曲線以簡化的方式顯示了在 VGS(ON) 和 VGS(OFF) 之間直接切換時的導(dǎo)通和關(guān)斷邊 沿。AgileSwitch 柵極驅(qū)動器使用 Augmented Switching 功能，通過精確的時序和電壓步長以數(shù)字方式控制這些 邊沿。針對這些測試，我們將驅(qū)動器編程為無任何中間 導(dǎo)通步驟（即導(dǎo)通波形直接從VGS(OFF)切換至VGS(ON)） 以及只有一個中間關(guān)斷步驟，如圖 6 中所示；該設(shè)置稱 為兩級關(guān)斷 （Two-Level Turn-Off， TLTO）。我們還測 試了多個 VTLTO 和 tTLTO 設(shè)置，以觀察模塊在各種開關(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。電流峰值達到 323A， 然后穩(wěn)定在其設(shè)定點 250A。


表 4 匯總了此測試的參數(shù)值；導(dǎo)通能量損耗為 1.67 mJ， 比數(shù)據(jù)手冊規(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) 置針對低開關(guān)損耗進行了優(yōu)化，另一種設(shè)置則針對低過 沖電壓進行了優(yōu)化。通常，中間步驟時間越長，器件關(guān) 斷速度就越慢，從而導(dǎo)致更高損耗，但可實現(xiàn)更低過 沖，如表 6 所示。


關(guān)斷期間實現(xiàn)的最低開關(guān)損耗為 1.37 mJ （過沖為 513V），最低過沖為 228V （損耗為 4.94 mJ）。

短路測試

硬件設(shè)置


短路測試的設(shè)置與雙脈沖測試類似，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關(guān)斷（TLTO）外， 2ASC12A1HP 還具有檢測到去飽和 / 短路事件后執(zhí)行多級關(guān) 斷 （Multilevel Turn-Off， MLTO）的功能。此功能與 TLTO 類似，但有一個額外的中間步驟。電壓值和這些 步驟的時序可在軟件中配置，所以我們測試了一些設(shè)置 組合，目的是確認哪種設(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沖電壓。最終設(shè)置請參見 表 7。此外還可以配置去飽和跳脫值，可將其轉(zhuǎn)換為特 定的檢測時間。目前的設(shè)置是 1.5 μs，可在確保零誤報 的同時實現(xiàn)快速檢測。

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 多級關(guān)斷的柵極信號；通道 2 （品紅色）則顯示下橋臂 MOSFET 兩端的電壓。驅(qū)動器在 1.5 μs 后開始切斷柵 極信號，此時電流已升至 1.48 kA 峰值。由于關(guān)斷配置 受控， 800V 總線上的電壓過沖被限制為 280V。

總結(jié)

雙脈沖測試結(jié)果表明，62 mm SiC 模塊平臺是一個穩(wěn)健 的模塊。考慮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： 1. 可在開關(guān)損耗與 Vds 過沖之間調(diào)整平衡點 a) 針對最低開關(guān)損耗進行優(yōu)化時，關(guān)斷損耗降 低 73% b) 針對最低 Vds 過沖進行優(yōu)化時，關(guān)斷損耗降 低 3% 2. 穩(wěn)健的短路保護 a) 總短路時間不到 2?s b) Vds 過沖和振鈴受控 總之，通過 Augmented Switching 技術(shù)，支持工程師可 對系統(tǒng)性能進行細致的調(diào)整。