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  碳化硅 (SiC) MOSFET在功率電子領域迅速普及。同時，為了在汽車和電動車的三相逆變器中加強SiC的應用，SiC器件的電壓電流能力需要顯著提高。提高電壓等級需要提升SiC芯片本身的設計，而提高電流能力在大多數(shù)情況下則需要在單個功率模塊中并聯(lián)多個SiC芯片。模塊經(jīng)過精心設計，在高電流、散熱、寄生組件管理和使用壽命之間實現(xiàn)了平衡。

  RoadPak SiC MOSFET 1.2kV模塊完美滿足上述要求，其采用半橋配置，每側(cè)可并聯(lián)多達10個SiC MOSFET芯片，支持大電流。

  為了充分利用SiC MOSFET技術實現(xiàn)的低損耗，應用層面必須實現(xiàn)高速切換，以降低開關損耗，提高效率。然而，在實踐中，功率半導體器件的開通和關斷面臨一系列困難，需要仔細設計整個系統(tǒng)。模塊的柵極驅(qū)動單元需要與功率模塊完美協(xié)調(diào)，不僅要平衡柵源電壓的性能，還要能驅(qū)動基本的安全特性，為逆變器的運行提供安全的機制。

  此外，柵極驅(qū)動單元還具備智能化的特色和控制方法，可進一步提高功率模塊的性能。恩智浦GD3160高級柵極驅(qū)動 (器) 是一款功能齊全的集成式柵極驅(qū)動單元，不僅為下一代SiC功率模塊提供了穩(wěn)健的控制，還帶有確保功率轉(zhuǎn)換器安全、高效運行等多種功能。

  重點介紹了名為“分段驅(qū)動”的柵波整形功能，具體請參見在日立RoadPak SiC MOSFET模塊上演示的恩智浦GD3160高級柵極驅(qū)動。該功能支持在正常電流范圍內(nèi)實現(xiàn)功率模塊快速開關，同時在發(fā)生過流時保護模塊免受過壓影響。這種去耦合支持設計高效的逆變器單元，而不用擔心發(fā)生故障時會損壞模塊。

  證明了這種“分段驅(qū)動”特性可以將模塊關閉切換損耗降低30% ~ 40%，具體取決于實際工況。從而支持更高的電流吞吐量和更高能效的逆變器，而不會因應力過沖減少使用壽命。

  恩智浦GD3160分段驅(qū)動

  分段驅(qū)動是一種先進的柵極驅(qū)動技術，柵極關斷強度 (以安培為單位) 根據(jù)關斷時序逐級降低。分段驅(qū)動通過降低關斷過程中短時很重要的那部分的電流來減緩關斷過程。

  這減少了電壓過沖，甚至支持在條件允許的情況下使用較小的柵極驅(qū)動電阻來降低開關損耗。這類智能、復雜的方法利用連接到功率器件漏極/集電極之間的DESET電路來實現(xiàn)。

  圖1：恩智浦GD3160分段驅(qū)動框圖

  不采用分段驅(qū)動時，關斷期間的過沖和損耗取決于柵極驅(qū)動電阻值 (RGL)，通常直接成反比關系 (即過沖較低意味著關斷損耗較高，反之亦然)。

  啟用和配置了分段驅(qū)動后，可以實現(xiàn)更低的過沖和更低的關斷能耗，因為GD316的電流限制了部分關斷時序的關斷路徑。由于柵極驅(qū)動修改了關斷電流時序，關斷性能不再僅僅取決于柵極驅(qū)動電阻值。

  該功能可配置度高，具有動態(tài)靈活性，可適應不斷變化的電流和溫度條件。分段驅(qū)動僅在非故障關閉時有效，不應與電流限制 軟關斷的去飽和、短路保護或過流故障保護相混淆。

  分段驅(qū)動效果的基礎示例

  分段驅(qū)動時序只是略微修改正常無故障的關斷操作。下圖顯示了GD3160上柵極驅(qū)動修改的程度(及其對過沖電壓的影響)。

  圖2：分段驅(qū)動對柵極和過沖的影響

  在分段驅(qū)動時序中執(zhí)行以下步驟：

  1.發(fā)出PWM命令，關閉功率模塊。

  2.柵極開始使用RGL關斷電阻的最高強度關閉，DESAT引腳電壓上升。

  3.當DESAT引腳上的電壓超過分段驅(qū)動激活閾值 (VSEGDRV_TH) 時，柵極驅(qū)動開始改變關斷流程并持續(xù)到時序結(jié)束。

  4.在激活軟關斷電流 (ISSD) 之前，增加了100ns的延遲以及分段驅(qū)動激活延遲時間 (tSEGDRVDLY)

  5.軟關斷功能用于緩慢通過功率器件的閾值區(qū)域，減少di/dt和過沖應力。

  使用分段驅(qū)動降低開關損耗

  可選擇關斷柵極電阻(RGL)，通過限制最壞情況的過沖，分段驅(qū)動允許系統(tǒng)設計師使用比其他情況下更低的關斷電阻值。使用較小的電阻可降低總關斷損耗并

  提高效率。

  我們使用日立RoadPak和GD3160進行了實驗室測試，以證明使用這種分段驅(qū)動功能可以實現(xiàn)效率提升。

  測試用例使用的是800V逆變器。為了確定安全的柵極電阻RGL，我們使用了950V / 1000A車輛中可能發(fā)生的最壞情況。得益于日立RoadPak模塊的低雜散電感，在這種最壞情況下出現(xiàn)過沖的概率非常低，如果不啟用分段驅(qū)動功能，系統(tǒng)設計人員需要將RGL設置為3歐姆。

  下圖顯示，在950V / 1000A的最壞情況下，RGL = 3歐姆時，VDS過沖達到1096V，接近1100V的目標，對于這個SiC模塊來說是安全的。

  圖3：950V / 1000A時的關斷波形，關閉分段驅(qū)動功能，RGL=3歐姆