柵極驅動評估平台包括主板、兩個插件柵極驅動器模塊，以及支持高達5千瓦輸出功率的散熱器和風扇。

 

碳化矽MOSFET具有較低的導通電阻，可以在開關狀態之間快速地來回切換。因此，它們比絕緣柵雙極晶體管（IGBT）消耗的功率小得多，IGBT具有較慢的關斷速度和較高的關斷開關功率損耗。此外
，碳化矽的寬帶隙使碳化矽器件能夠在高壓下工作。相反，矽基MOSFET不能同時實現高阻斷電壓和低導通電阻。因此
，碳化矽器件在高功率應用中變得越來越重要。

 

由(you)於(yu)碳(tan)化(hua)矽(gui)器(qi)件(jian)具(ju)有(you)較(jiao)高(gao)的(de)功(gong)率(lv)水(shui)平(ping)，因(yin)此(ci)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)必(bi)須(xu)評(ping)估(gu)碳(tan)化(hua)矽(gui)器(qi)件(jian)本(ben)身(shen)及(ji)其(qi)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)電(dian)路(lu)。碳(tan)化(hua)矽(gui)技(ji)術(shu)仍(reng)是(shi)相(xiang)對(dui)較(jiao)新(xin)的(de)技(ji)術(shu)
，在(zai)各(ge)種(zhong)條(tiao)件(jian)下(xia)的(de)器(qi)件(jian)性(xing)能(neng)還(hai)沒(mei)有(you)得(de)到(dao)充(chong)分(fen)表(biao)征(zheng)。

 

評估平台將使設計工程師能夠評估在轉換器電路應用中連續工作的碳化矽MOSFET
，碳(tan)化(hua)矽(gui)肖(xiao)特(te)基(ji)二(er)極(ji)管(guan)和(he)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)電(dian)路(lu)。評(ping)估(gu)平(ping)台(tai)將(jiang)有(you)助(zhu)於(yu)加(jia)快(kuai)成(cheng)功(gong)的(de)基(ji)於(yu)碳(tan)化(hua)矽(gui)的(de)功(gong)率(lv)轉(zhuan)換(huan)器(qi)設(she)計(ji)的(de)設(she)計(ji)周(zhou)期(qi)，並(bing)有(you)助(zhu)於(yu)加(jia)快(kuai)最(zui)終(zhong)產(chan)品(pin)的(de)上(shang)市(shi)時(shi)間(jian)。

 

功率轉換電路的設計挑戰

 

為了使功率輸出和功率轉換電路的效率最大化，設計人員必須確保：

 

電源設備可以在額定功率和電流下運行
，並向負載提供足夠的功率

電路將內部功率損耗降至最低，以獲得最大效率

該設計包含用於碳化矽功率器件的保護電路

印刷電路板（PCB）布局最大程度地減少了寄生電感和電容

EMI輻射在允許範圍內

該設計使用最少的無源元件，有助於降低成本
、尺寸和重量

柵極驅動器有助於實現上述目標，並有助於將熱性能保持在規定的溫度額定值內。

 

圖2

 

柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)評(ping)估(gu)平(ping)台(tai)的(de)簡(jian)化(hua)圖(tu)。電(dian)源(yuan)配(pei)置(zhi)為(wei)半(ban)橋(qiao)輸(shu)出(chu)級(ji)。未(wei)顯(xian)示(shi)的(de)去(qu)耦(ou)電(dian)容(rong)器(qi)靠(kao)近(jin)碳(tan)化(hua)矽(gui)器(qi)件(jian)放(fang)置(zhi)，以(yi)在(zai)器(qi)件(jian)切(qie)換(huan)期(qi)間(jian)保(bao)持(chi)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)。去(qu)耦(ou)電(dian)容(rong)器(qi)和(he)碳(tan)化(hua)矽(gui)器(qi)件(jian)兩(liang)端(duan)的(de)電(dian)容(rong)器(qi)充(chong)當(dang)低(di)通(tong)濾(lv)波(bo)器(qi)

，以(yi)消(xiao)除(chu)直(zhi)流(liu)電(dian)源(yuan)線(xian)上(shang)的(de)開(kai)關(guan)噪(zao)聲(sheng)。下(xia)麵(mian)為(wei)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)環(huan)路(lu)中(zhong)的(de)寄(ji)生(sheng)電(dian)容(rong)和(he)電(dian)感(gan)。

 

柵極驅動評估平台可幫助設計人員應對所有這些挑戰。該平台可以連續在高功率下工作，以表征所選碳化矽MOSFETheerjiguandexingneng。gaipingtaihaikeyizaiduozhongceshitiaojianxiabijiaobutongdezhajiqudongqi。keyipingguzhajiqudongqiderexingneng

，kangdianciganraonengliyijiqudonggonglvyuanjiandenengli，yishiqigaoxiaogongzuo。zuihou，gaipingtaiyunxuduishejijinxingfenxi，yitigaoxiaolv，jianshaodianciganrao（EMI），降低成本
，減小尺寸和減輕重量。

 

柵極驅動評估平台本質上是一個功率級參考設計平台，它由一個主板和和一個以半橋配置的兩個碳化矽MOSFET-碳化矽肖特基二極管對組成。半橋電路在800伏直流總線電壓下可輸出最大5千qian瓦wa的de功gong率lv。主zhu板ban可ke以yi容rong納na兩liang個ge獨du立li的de柵zha極ji驅qu動dong器qi模mo塊kuai板ban，每mei個ge開kai關guan位wei置zhi一yi個ge。因yin此ci，不bu同tong的de柵zha極ji驅qu動dong集ji成cheng電dian路lu和he柵zha極ji驅qu動dong設she計ji可ke以yi快kuai速su方fang便bian地di安an裝zhuang在zai主zhu板ban上shang，以yi評ping估gu柵zha極ji驅qu動dong性xing能neng以yi及ji驅qu動dong器qi如ru何he影ying響xiang輸shu出chu功gong率lv。

 

柵極驅動評估平台的第三個主要元素是熱管理，散熱器和冷卻MOSFET-二極管對的風扇。散熱器風扇子係統使功率電路能夠在頻率高達200kHz的MOSFET二極管對切換時連續輸出高達5kW的功率。

 

柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)評(ping)估(gu)平(ping)台(tai)的(de)印(yin)刷(shua)電(dian)路(lu)板(ban)布(bu)局(ju)最(zui)小(xiao)化(hua)了(le)回(hui)路(lu)電(dian)感(gan)和(he)電(dian)源(yuan)電(dian)路(lu)與(yu)柵(zha)極(ji)電(dian)路(lu)之(zhi)間(jian)的(de)耦(ou)合(he)。兩(liang)個(ge)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)允(yun)許(xu)獨(du)立(li)評(ping)估(gu)頂(ding)部(bu)和(he)底(di)部(bu)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)質(zhi)量(liang)。

 

碳化矽MOSFET和二極管的選擇以及柵極驅動器的選擇是功率轉換設計的最重要決定。MOSFET必(bi)須(xu)具(ju)有(you)電(dian)壓(ya)，電(dian)流(liu)和(he)功(gong)率(lv)規(gui)格(ge)，才(cai)能(neng)滿(man)足(zu)轉(zhuan)換(huan)器(qi)的(de)要(yao)求(qiu)。柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)有(you)更(geng)複(fu)雜(za)的(de)要(yao)求(qiu)。它(ta)應(ying)具(ju)有(you)較(jiao)寬(kuan)的(de)電(dian)壓(ya)範(fan)圍(wei)和(he)足(zu)夠(gou)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)來(lai)驅(qu)動(dong)功(gong)率(lv)MOSFET。

 

圖3

 

使用降壓轉換器作為負載的柵極驅動器開關損耗測試。此處顯示的是柵極驅動電壓
，MOSFET漏源電流和MOSFET漏源電壓。

 

推薦的驅動電壓為15至20V，以便將MOSFET切換到導通狀態；推薦電壓為0至-5V，以便將MOSFET切換到關閉狀態。柵極驅動器的峰值輸出電流範圍為1至15A
，具體取決於MOSFET的功率處理能力。驅動器需要提供高脈衝電流，以減少開關瞬態期間的MOSFET開關損耗。此外，高持續電流和較小的外部柵極電阻可降低碳化矽MOSFET的高頻開關期間的驅動器溫度。

 

快速碳化矽MOSFET開關引起的高dv/dt使shi得de高gao共gong模mo電dian流liu流liu經jing柵zha極ji驅qu動dong器qi和he功gong率lv轉zhuan換huan電dian路lu的de其qi餘yu部bu分fen。高gao共gong模mo電dian流liu會hui影ying響xiang控kong製zhi電dian路lu中zhong的de參can考kao電dian壓ya節jie點dian
，從cong而er導dao致zhi誤wu操cao作zuo。共gong模mo電dian流liu的de大da小xiao由youMOSFETdv/dt和he共gong模mo電dian流liu路lu徑jing中zhong的de阻zu抗kang決jue定ding。因yin此ci，柵zha極ji驅qu動dong器qi集ji成cheng電dian路lu及ji其qi電dian源yuan都dou需xu要yao較jiao高gao的de隔ge離li阻zu抗kang以yi減jian小xiao共gong模mo電dian流liu。柵zha極ji驅qu動dong器qi的de隔ge離li電dian容rong應ying小xiao於yu1pF。電源的隔離電容應低於10pF。

 

傳(chuan)統(tong)的(de)做(zuo)法(fa)是(shi)由(you)光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)提(ti)供(gong)隔(ge)離(li)。新(xin)的(de)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)技(ji)術(shu)可(ke)以(yi)采(cai)用(yong)電(dian)感(gan)或(huo)電(dian)容(rong)隔(ge)離(li)。這(zhe)些(xie)新(xin)方(fang)法(fa)被(bei)稱(cheng)為(wei)數(shu)字(zi)隔(ge)離(li)器(qi)技(ji)術(shu)。光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)和(he)數(shu)字(zi)隔(ge)離(li)器(qi)既(ji)有(you)優(you)點(dian)也(ye)有(you)缺(que)點(dian)。光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)提(ti)供(gong)電(dian)流(liu)，從(cong)而(er)使(shi)其(qi)輸(shu)入(ru)不(bu)易(yi)受(shou)到(dao)EMI的(de)影(ying)響(xiang)。但(dan)是(shi)，光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)不(bu)能(neng)處(chu)理(li)像(xiang)數(shu)字(zi)隔(ge)離(li)器(qi)一(yi)樣(yang)高(gao)的(de)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)速(su)率(lv)，並(bing)且(qie)會(hui)帶(dai)來(lai)更(geng)長(chang)的(de)脈(mai)衝(chong)寬(kuan)度(du)失(shi)真(zhen)時(shi)間(jian)。脈(mai)衝(chong)寬(kuan)度(du)失(shi)真(zhen)時(shi)間(jian)是(shi)指(zhi)通(tong)過(guo)驅(qu)動(dong)器(qi)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)的(de)信(xin)號(hao)延(yan)遲(chi)時(shi)間(jian)。在(zai)半(ban)橋(qiao)電(dian)源(yuan)轉(zhuan)換(huan)拓(tuo)撲(pu)中(zhong)，過(guo)多(duo)的(de)延(yan)遲(chi)會(hui)產(chan)生(sheng)波(bo)形(xing)失(shi)真(zhen)和(he)低(di)頻(pin)噪(zao)聲(sheng)。

 

光guang耦ou合he器qi的de性xing能neng隨sui驅qu動dong器qi電dian壓ya，溫wen度du和he設she備bei壽shou命ming的de變bian化hua而er變bian化hua。基ji於yu數shu字zi隔ge離li器qi的de驅qu動dong器qi在zai整zheng個ge溫wen度du範fan圍wei內nei具ju有you更geng穩wen定ding的de參can數shu。由you於yu數shu字zi隔ge離li器qi在zai電dian壓ya輸shu入ru下xia工gong作zuo，因yin此ci它ta們men更geng容rong易yi受shou到daoEMI的影響。但總的來說，與使用碳化矽MOSFET的功率轉換電路的柵極驅動器中的光耦合器相比
，數字隔離器更穩定的工作參數使其成為更好的選擇。

 

對dui於yu大da功gong率lv電dian路lu，必bi須xu采cai用yong保bao護hu機ji製zhi來lai防fang止zhi器qi件jian熱re失shi控kong以yi及ji由you於yu故gu障zhang而er損sun壞huai器qi件jian和he電dian路lu。強qiang烈lie建jian議yi采cai用yong帶dai有you保bao護hu電dian路lu的de柵zha極ji驅qu動dong器qi集ji成cheng電dian路lu。柵zha極ji驅qu動dong集ji成cheng電dian路lu應ying具ju有you去qu飽bao和he（de-sat）保護，故障情況下的軟關斷，米勒鉗位電路和欠壓鎖定（UVLO）。

 

發生負載短路時
，去飽和保護電路會關閉MOSFET。軟關斷可避免較大的瞬態電壓過衝，並在直通故障期間（兩個MOSFET同時同時導通）關閉MOSFET。Miller鉗位電路通過從寄生漏極-柵極電容中釋放電流來避免直通條件
，從而避免柵極電壓的瞬態上升。鉗位電路可防止MOSFET在應處於關閉狀態時導通。如果用於柵極驅動器輸入或隔離輸出電路的電壓供應過低，則UVLO電路會關閉柵極驅動器，以保護MOSFET免受不正確的開關時序的影響。這些保護電路確保了更堅固和安全的電源轉換電路。

 

PCB板布局對動態電路（例如高效功率轉換電路）的性能有重大影響。PCB走線和接地層的寄生電容和電感會增加電路中的寄生電容和電感。柵極驅動回路中的寄生元件會降低MOSFET的開關性能。柵極-源極電容迫使柵極驅動器集成電路產生更高的驅動電流。雜散電感會增加柵極-源極電壓的過衝，並導致在MOSFET開關期間產生振鈴。

 

為了減少雜散電容和電感，將柵極驅動器
，柵極電阻和去耦電容靠近MOSFET柵極，使柵極路徑盡可能短。通過將柵極返回路徑直接布置在柵極電源走線的正下方
，將環路電感降至最低。最大化MOSFET柵極走線和漏極走線之間的距離
，以減小柵極-漏極電容的大小。這種做法會切斷進入柵極的電流
，從而降低米勒效應。

 

此外，電源轉換電路下方的接地層會增加電容耦合；避免在基於MOSFET開關的功率轉換電路中使用接地層。所有這些PCB布局建議均已在柵極驅動評估平台中實施，以避免定製測試板的設計，布局和測試。

 

 

圖4

 

產生波形的測試條件：輸入電壓=800V，輸出電壓=400V，開關頻率=100kHz，輸出功率=2.5kW

 

柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)評(ping)估(gu)平(ping)台(tai)通(tong)過(guo)使(shi)用(yong)不(bu)同(tong)的(de)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)可(ke)以(yi)方(fang)便(bian)地(di)比(bi)較(jiao)開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)和(he)開(kai)關(guan)瞬(shun)態(tai)。考(kao)慮(lv)為(wei)在(zai)連(lian)續(xu)開(kai)關(guan)條(tiao)件(jian)下(xia)工(gong)作(zuo)的(de)降(jiang)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)器(qi)評(ping)估(gu)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)的(de)情(qing)況(kuang)。降(jiang)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)器(qi)的(de)工(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv)為(wei)100kHz，輸出為2.5kW。

 

驅動器集成電路的驅動能力和所使用的外部柵極電阻將影響碳化矽MOSFET的開關瞬變和整體開關損耗。在此測試中，第一個柵極驅動器的額定驅動電流為14A
，第二個柵極驅動器的額定驅動電流為2A。每個柵極驅動器均使用10Ω和1Ω柵極電阻進行測試。

 

 

 

10Ω柵極電阻消除了柵極驅動器性能上的差異。10Ω的柵極電阻會降低MOSFETdeshuntaikaiguansudu，congerzengjiakaiguansunhao。gaoshuchudianliuqudongqihedishuchudianliuqudongqizhijiandechayigengjiamingxian。dangyijiaodidezhajidianzushiyonggaoshuchudianliuqudongqishi，MOSFET的(de)開(kai)關(guan)速(su)度(du)更(geng)快(kuai)。與(yu)較(jiao)高(gao)的(de)柵(zha)極(ji)電(dian)阻(zu)相(xiang)比(bi)，較(jiao)低(di)的(de)柵(zha)極(ji)電(dian)阻(zu)確(que)實(shi)在(zai)開(kai)關(guan)轉(zhuan)換(huan)期(qi)間(jian)產(chan)生(sheng)更(geng)多(duo)的(de)振(zhen)鈴(ling)。設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)必(bi)須(xu)找(zhao)到(dao)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)，柵(zha)極(ji)電(dian)阻(zu)和(he)MOSFET的最佳組合，以最大程度地降低開關損耗。

 

 

圖5

 

具有兩個不同的驅動器集成電路和一個10Ω和2Ω柵極電阻的MOSFET導通瞬變。綠色軌跡：IXDN614。灰色軌跡IXDN602

 

柵極驅動器評估平台可借助散熱器和風扇來評估驅動器集成電路的熱性能，這些散熱器和風扇使MOSFET能夠在連續開關輸出狀態下工作。該平台還可用於測試驅動器保護功能。

 

簡jian而er言yan之zhi，柵zha極ji驅qu動dong評ping估gu平ping台tai是shi一yi種zhong有you助zhu於yu對dui碳tan化hua矽gui器qi件jian和he柵zha極ji驅qu動dong器qi進jin行xing評ping估gu的de工gong具ju。通tong過guo將jiang柵zha極ji驅qu動dong模mo塊kuai插cha入ru主zhu板ban
，設she計ji人ren員yuan可ke以yi很hen容rong易yi地di比bi較jiao不bu同tong柵zha極ji驅qu動dong器qi集ji成cheng電dian路lu的de效xiao率lv和he熱re性xing能neng。設she計ji人ren員yuan可ke以yi使shi用yong評ping估gu平ping台tai上shang的dePCBbujujishuhetuijianyuanjianlaikefutanhuaguiqijiandeshejitiaozhan
，congerkaifachugaoxiao，rekekongheshoubaohudedianyuanzhuanhuandianlu。yinci
，gaipinggupingtaikeyigengkuaidishejigaoxiaodegonglvzhuanhuandianlu
，bingjiakuaichanpinshangshishijian。