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现代IGBT/MOSFET栅极驱动器提供隔离功能的最大功率限制

在高度可靠、高性能的应用中,如电动/混合动力汽车,隔离栅级驱动器需要确保隔离栅在所有情况下完好无损。随着Si-MOSFET/IGBT不断改进,以及对GaN和SiC工艺技术的引进,现代功率转换器/逆变器的功率密度不断提高。因此,需要高度集成、耐用的新型隔离式栅极驱动器。这些驱动器的电隔离装置体积小巧,可集成到驱动器芯片上。这种电隔离可以通过集成高压微变压器或电容器来实现。1, 2, 3 一次意外的系统故障均可导致功率开关甚至整个功率逆变器损坏和爆炸。因此,需要针对高功率密度逆变器研究如何安全实施栅级驱动器的隔离功能。必须测试和验证最坏情况下(功率开关被毁坏)隔离栅的可靠性。

简介

在最坏的情况下,即高功率MOSFET/IGBT发生故障时,逆变器几千 F的电容组会快速放电。释放的电流会导致MOSFET/IGBT损坏、封装爆炸、等离子体排出到环境中。4 一部分进入栅级驱动电路的电流会导致电气过载。5 由于功率密度极高,所以在制作驱动器芯片时,需要保证即使芯片本身出现故障,仍然能够保持电隔离。

高度集成的现代栅级驱动器的构建

芯片级隔离采用平面微变压器方法来提供电隔离。它采用晶圆级技术制造 ,配置为半导体器件大小。1iCoupler 通道内含两个集成电路(IC)和多个芯片级变压器(图1)。隔离层提供隔离栅,将每个变压器的顶部和底部线圈隔开(图2)。数字隔离器采用厚度至少为20 μm的聚酰亚胺绝缘层,在晶圆制造工艺中放置在平面变压器线圈之间。这种制造工艺以低成本将隔离元件与任何晶圆半导体工艺集成,实现出色的质量和可靠性。图2的剖面图显示了被较厚的聚酰亚胺层隔开的顶部和底部线圈的匝数。

现代IGBT/MOSFET栅极驱动器提供隔离功能的最大功率限制

图1.MOSFET半桥驱动器ADuM3223的芯片配置。

封装内的分接引线框架完成隔离。当栅级驱动器输出芯片因功率开关爆炸损坏时,内部芯片分区和配置必须确保隔离层完好无损。为确保栅级驱动器不受损坏,采取了以下几种保护措施:

合理设置外部电路的尺寸,限制流向 栅级驱动器芯片的电流

在驱动器芯片上合理配置输出晶体管

在芯片上合理配置微变压器

合理安排控制封装内的驱动器芯片

现代IGBT/MOSFET栅极驱动器提供隔离功能的最大功率限制

图2.ADuM3223:微变压器横截面。

ADuM3223 栅级驱动器的内部芯片配置(图1)展示了一种芯片配置示例,它能够在极端电气过载时避免发生电隔离故障。

仿真最糟糕的逆变器故障情况的破坏性试验

构建一个385 V和750 V两级电压的测试电路,用来模拟真实的功率逆变器情形。在采用110 V/230 V ac电网,需要实施功率因素校正的系统中,385 V电压电平极为常见。在使用额定击穿电压为1200 V的开关的驱动应用中,对于所使用的高功率逆变器而言,750 V电压电平极为常见。

在破坏性试验中,会接通由功率开关和适当的驱动器组成的逆变器桥臂,直到开关出现故障。破坏过程中的波形会被记录下来,以确定流入栅级驱动器芯片的电平。试验研究了几种保护措施,以便限制流入栅级驱动器电路的击穿电流。破坏性试验中用到了多种IGBT和MOSFET。

控制MOSFET/IGBT损坏程度的测试电路

为了实施IGBT/MOSFET驱动器电气过载测试(EOS测试),构建了一个非常接近真实情况的电路。该电路中包含适用于5 kW至20 kW功率范围逆变器的电容和电阻。轴向型栅极电阻Rg采用2 W额定功率的金属电阻。为了避免电流从高压电路反向进入外部电源,采用了一个阻流二极管D1。这也反映了真实情况,因为浮动电源包括至少一个整流器(即自举电路)。高压电源(HV)通过包括充电电阻Rch和开关S1的电路为电解电容块充电。

实施EOS测试时,采用500 s开启信号来控制输入VIA或VIB。开启信号通过微隔离进行传输,会造成短路,并损毁功率晶体管T1。在某些情况下,会出现晶体管封装爆炸。

共采用四种功率开关(两级电压)来仿真逆变器的损坏情况。针对特定开关类型实施的首次测试先后在不采用和采用功率限制电路的情况下进行。为了限制损坏阶段流入驱动器电路的电流,有些测试直接在驱动器输出引脚处配置了齐纳二极管Dz(BZ16,1.3 W)。此外,还研究了各种不同的栅级电阻值。

现代IGBT/MOSFET栅极驱动器提供隔离功能的最大功率限制

图3.用于测量功率开关损坏对隔离耐受性能影响的ADuM4223的EOS电路布局。

现代IGBT/MOSFET栅极驱动器提供隔离功能的最大功率限制

图4.用于确定隔离耐受度功率限制的ADuM4223的EOS电路布局。

现代IGBT/MOSFET栅极驱动器提供隔离功能的最大功率限制

图5.最糟糕情况下(输入和输出芯片直接承受电流时)ADuM4223的EOS电路。

无功率限制栅级驱动电路直接受损测试电路

还进行了另一项仿真最坏情况的实验,其中栅级驱动器的输入和输出芯片直接承受击穿电流(destructive energy)。在这次破坏性试验中,将充满电的大容量电容直接连接到栅级驱动器的输出引脚(图4)。该试验展示了可能出现的最严重的过载情形,从而检验其隔离功能耐受性。电流直接流入驱动电路,而栅级电阻是唯一的功率限制装置。继电器S2将高压耦合到栅级驱动器输出电路。

图5所示为最坏情况测试,其中没有采用任何器件限制流入输入和输出芯片的电流。将750 V高压通过开关S1直接施加于输出芯片,即在没有限流栅级电阻的情况下,将中高压750 V直接施加于驱动器芯片会出现的最坏情况。

另一种可能的最坏情况是对驱动器的主侧控制芯片施加过高的电源电压。推荐使用的最大输入电源电压为5.5 V。如果产生输入电压的DC-DC转换器失去调节能力,其输出电压就会增大。失去调节作用时,转换器的输出电压可以增大到一流DC-DC转换器的2到3倍。ADuM4223输入芯片承受的功率有限,电阻、功率开关、电感等其他设备都和往常一样在其各自的位置。这些器件会阻碍电流流入控制芯片。为了真实模拟DC-DC转换器故障,选择采用15 V、1.5 A限流值的电源电压。

实验结果

表1给出了使用图3、图4和图5中的电路实施过载测试的结果。为了确定保护电路的作用,针对每个MOSFET/IGBT 功率开关类型实施了两次测试。在9、10和11的最坏情况测试中,使用了机械开关S1和S2。

表1.不同功率开关及不同损坏条件下的破坏性试验

测试

ADuM4223

博士#

U/V

Rg

Dz

结果

Ed/mJ

注释

开关

电路

1

1

B

385

4.7

损坏

8.5


FDP5N50

图3

2

1

A

385

2 × 2.2

16

未损坏

3.5


FDP5N50

图3

3

2

A

385

2 × 2.2

16

损坏


Rg、DZ无问题

2xFDP5N50

图3

4

2

B

385

12

16

未损坏



2xFDP5N50

图3

5

2

B

385

4.7

16

未损坏

0.5


spw24N60C3

图3

6

2

B

385

3.9

未损坏



spw24N60C3

图3

7

2

B

750

4.7

16

未损坏

20

Rg损坏,DZ没问题

ixgp20n100

图3

8

2

B

750

4.7

损坏

25

Rg损坏

ixgp20n100

图3

9

1

A

150

4.7

损坏


Rg损坏

开关S2

图4

10

3

A

750

0

损坏


最坏情况的输出芯片

开关S1

图5

11

4

输入

15

0

损坏


最坏情况的输入芯片

开关S2

图5

现代IGBT/MOSFET栅极驱动器提供隔离功能的最大功率限制

图6.损坏SPW2460C3生成的波形图;未发现驱动器损坏情况。

现代IGBT/MOSFET栅极驱动器提供隔离功能的最大功率限制

图7.损坏2xFDP5N50(并联)生成的波形图;栅级驱动器出现故障。

一般情况下,齐纳二极管可以帮助保护驱动电路,如表所示(对比试验1和试验2)。但是当栅极电阻的值过小时,尽管采用了齐纳二极管,驱动器仍然会损坏(对比试验3和试验4)。

通过对比试验2和试验3,以及试验3和试验4,可以估算出损害驱动器的电流。通过试验5和6可以得出一个非常有趣的结论:与功率等级相同的IGBT相比,超结MOSFET似乎能显著降低流入栅极驱动器的功率水平。试验9、10和11(未限制流入控制和驱动器芯片的电流)的目的是研究最坏情况下的隔离栅耐受性。

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