簡(jiǎn)介

在太陽(yáng)能光伏(PV)和儲(chǔ)能應(yīng)用中，提高功率密度已經(jīng)成為一種趨勢(shì)，另外我們還需要不斷提高效率。碳化硅(SiC)功率器件提供了這個(gè)問(wèn)題的解決方案。SiC器件是寬帶隙器件，能夠在高于1000 V dc的電壓下工作，通常具有較低的漏源阻抗(RDSON)。SiC器件還能滿(mǎn)足降低導(dǎo)電性從而提高效率的需求。SiC器件還能達(dá)到高于100 kHz的快速開(kāi)關(guān)速度，而且開(kāi)關(guān)過(guò)程中的寄生電容和相關(guān)電荷也比較低。但它們也存在一些缺點(diǎn)，包括要求柵極驅(qū)動(dòng)器具有大于100 kV/μs的較高共模瞬變抗擾度(CMTI)。另一個(gè)缺點(diǎn)是，SiC的漏源的較高開(kāi)關(guān)頻率可能導(dǎo)致器件柵極的振蕩。在驅(qū)動(dòng)較高電壓的SiC器件(使用它們可以實(shí)現(xiàn)顯著的功率密度提升)時(shí)，這些缺點(diǎn)可能導(dǎo)致問(wèn)題。作為柵極驅(qū)動(dòng)器和SiC的一種組合，ADuM4135和Microsemi APTMC120AM20CT1AG模塊可以解決這些問(wèn)題。ADuM4135柵極驅(qū)動(dòng)器是一款單通道器件，在25 V的工作電壓下(VDD至VSS)，典型驅(qū)動(dòng)能力為7 A源電流和灌電流。最小CMTI為100 kV/μs。APTMC120AM20CT1AG電源模塊是一款半橋SiC器件，集電極-發(fā)射極電壓額定值為1200 V，RDSON為17 mΩ，具有108 A的連續(xù)電流能力。柵源電壓(VGS)額定值為10 V至+25 V。

圖1.ADuM4135柵極驅(qū)動(dòng)器模塊

測(cè)試設(shè)置

電氣設(shè)置

系統(tǒng)測(cè)試電路設(shè)置如圖2所示。直流電壓施加于半橋兩端的輸入，900 µF的去耦電容添加到輸入級(jí)。輸出級(jí)為83 µH和128 µF的電感電容(LC)濾波器級(jí)，對(duì)輸出進(jìn)行濾波，傳送到2 Ω至30 Ω的負(fù)載R1。

表1顯示了測(cè)試設(shè)置功率器件的列表。圖3顯示了物理設(shè)置，表2詳細(xì)列出了用于測(cè)試的設(shè)置設(shè)備。

圖2.系統(tǒng)測(cè)試電路設(shè)置

圖3.物理設(shè)置

測(cè)試結(jié)果

無(wú)負(fù)載測(cè)試

表3.無(wú)負(fù)載測(cè)試 — 對(duì)應(yīng)插圖

1 VHV是HV+和HV−之間的差分電壓。

2 IIN表示通過(guò)U1的輸入電流。

表4.無(wú)負(fù)載測(cè)試 — 溫度總結(jié)

最新版本的ADuM4135有了一些變化，包括在功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET) Q1和Q2的柵極上添加了2.2 nF的電容。15 nF的去耦電容C0G添加到VHV。表3和表4概括了發(fā)現(xiàn)的結(jié)果，圖4至圖9顯示了結(jié)果的依據(jù)。測(cè)試1和測(cè)試2在600 V電壓下進(jìn)行，分別在50 kHz和100 kHz的開(kāi)關(guān)頻率下進(jìn)行，而測(cè)試3則在900 V電壓和50 kHz的開(kāi)關(guān)頻率下進(jìn)行。

圖4.VHV = 600 V，fSW = 50 kHz，無(wú)負(fù)載，打開(kāi)

圖5.VHV = 600 V，fSW = 50 kHz，無(wú)負(fù)載，關(guān)閉

圖6.VHV = 600 V，fSW = 100 kHz，無(wú)負(fù)載，打開(kāi)

圖7.VHV = 600 V，fSW = 100 kHz，無(wú)負(fù)載，關(guān)閉

圖8.VHV = 900 V，fSW = 50 kHz，無(wú)負(fù)載，打開(kāi)

圖9.VHV = 900 V，fSW = 50 kHz，無(wú)負(fù)載，關(guān)閉

負(fù)載測(cè)試

表5.負(fù)載測(cè)試

1 IOUT是負(fù)載電阻R1中的輸出電流。

2 VOUT是R1兩端的輸出電壓。

3 POUT是輸出功率(IOUT × VOUT)。

4 IIN表示通過(guò)U1的輸入電流。

板配置類(lèi)似于“無(wú)負(fù)載測(cè)試”部分的測(cè)試設(shè)置。

表5概括了在負(fù)載測(cè)試中發(fā)現(xiàn)的結(jié)果，圖10至圖17顯示了結(jié)果的依據(jù)。

測(cè)量輸出電壓(VOUT)，也就是R1兩端的電壓。測(cè)試結(jié)果顯示了VGS上的一些米勒反饋，但在SiC的柵極，VGS仍為−5 V電平。在900 V電壓下，在VDS上看到一些振蕩，但小于100 V的輸入直流電壓。此設(shè)計(jì)顯示了ADuM4135如何能夠驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET，并且提供優(yōu)良性能。

圖10.VHV = 200 V，fSW = 50 kHz，POUT = 83 W，打開(kāi)

圖11.VHV = 200 V，fSW = 50 kHz，POUT = 83 W，關(guān)閉

圖12.VHV = 600 V，fSW = 50 kHz，POUT = 1000 W，打開(kāi)

圖13.VHV = 600 V，fSW = 50 kHz，POUT = 1000 W，關(guān)閉

圖14.VHV = 900 V，fSW = 50 kHz，POUT = 1870.5 W，打開(kāi)

圖15.VHV = 900 V，fSW = 50 kHz，POUT = 1870.5 W，關(guān)閉

圖16.VHV = 900 V，fSW = 100 kHz，POUT = 1640 W，打開(kāi)

圖17.VHV = 900 V，fSW = 100 kHz，POUT = 1640 W，關(guān)閉

高電流測(cè)試

表6.高電流測(cè)試

1 占空比高端。

2 IOUT是負(fù)載電阻R1中的輸出電流。

3 VOUT是R1兩端的輸出電壓。

4 PIN是輸入功率(IIN × VHV)。

5 IIN表示通過(guò)U1的輸入電流。

板配置類(lèi)似于“無(wú)負(fù)載測(cè)試”部分的測(cè)試設(shè)置。本測(cè)試中使用了Regatron電源。

表6概括了在高電流測(cè)試中發(fā)現(xiàn)的結(jié)果，圖18至圖23顯示了結(jié)果的依據(jù)。

測(cè)量VOUT，也就是R1兩端的電壓。

圖18.VHV = 300 V，fSW = 50 kHz，輸出電流(IOUT) = 21.8 A，打開(kāi)

圖19.VHV = 300 V，fSW = 50 kHz，輸出電流(IOUT) = 21.8 A，關(guān)閉

圖20.VHV = 400 V，fSW = 50 kHz，輸出電流(IOUT) = 27.1 A，打開(kāi)

圖21.VHV = 400 V，fSW = 50 kHz，輸出電流(IOUT) = 27.1 A，關(guān)閉

圖22.VHV = 600 V，fSW = 50 kHz，輸出電流(IOUT) = 40.5 A，脈沖寬度調(diào)制(PWM)延遲，打開(kāi)

圖23.VHV = 600 V，fSW = 50 kHz，輸出電流(IOUT) = 40.5 A，關(guān)閉

PWM延遲

ADuM4135輸入和輸出PWM測(cè)量?jī)蓚€(gè)信號(hào)之間的延遲。這些測(cè)試直接在ADuM4135的輸入和輸出引腳上進(jìn)行。延遲為59.4 ns。

圖24.輸入和輸出PWM之間的延遲，打開(kāi)

圖25.輸入和輸出PWM之間的延遲，關(guān)閉

原理圖

圖26.ADuM4135柵極驅(qū)動(dòng)器板原理圖

結(jié)論

ADuM4135柵極驅(qū)動(dòng)器具有電流驅(qū)動(dòng)能力和正確的電源范圍，還有大于100 kV/µs的強(qiáng)大CMTI能力，在驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET時(shí)提供優(yōu)良的性能。

測(cè)試結(jié)果提供了數(shù)據(jù)，表明該產(chǎn)品為驅(qū)動(dòng)SiC的隔離電源、高電壓柵極驅(qū)動(dòng)器提供了解決方案。