利用AgileSwitch® Augmented Switching™ 栅极驱动器对SiC功率模块进行表征

利用AgileSwitch Augmented Switching 栅极驱动器 对62 mm SiC 功率模块进行表征

开关SiC MOSFET功率模块会产生两个严重问题：关断电压过冲和振铃。为了优化器件性能，必须要解决这两个问题。我们需要在保持开关效率的同时控制这两个寄生问题。Microchip 的AgileSwitch系列栅极驱动器已获得专利，该系列产品通过在关断期间将栅极电压值和停留时间调整为一个或多个中间值来控制关断 di/dt，从而解决了这些问题。这个过程通常称为 Augmented TurnOff或ATOff。

图 1： 传统关断与 Augmented Turn-Off™

Augmented Turn-Off 的优势如下： 1. 减少开关损耗 2. 对导通 dv/dt 进行精细控制 3. 降低关断过冲电压 4. 稳健的短路保护和响应性能

主要内容

简介

本报告概述了 62 mm SiC 半桥模块的表征过程。我们 将 AgileSwitch 2ASC-12A1HP 栅极驱动器内核连接 至 AgileSwitch 62CA1 模块适配器板，然后进行测试。

图 2： 将已连接 62CA1 适配板的 2ASC12A1HP SiC 驱动器内核插入 62mm 模块

图 3： 双脉冲设置图示：（A）2ASC-12A1HP、 （B）62CA1 适配板、（C）FF6MR12KM1 模块、 （D） VDS 探针和 I VGS 探针、（F）电流探针和 （G）电感

双脉冲测试


硬件设置

将电感跨接在上桥臂MOSFET的两端进行双脉冲测试， 如图 4 所示。在测试期间，上桥臂 MOSFET 保持在 -5V，而下桥臂 MOSFET 使用摘要中描述的配置进行开关操作。将罗氏线圈放在模块引脚 2 上的源极回流总线 周围，以测量电流。 测试条件为 600V、250A，以重现模块数据手册中列出 的工作条件。使用较小的栅极电阻，因为 2ASC12A1HP 可通过数字方式控制开关边沿，所以如果使用 较大的电阻就会导致额外损耗，性能方面也没有什么优势。

软件设置

双脉冲配置

根据所选负载电感、直流链路电压和所需最大漏极电流 来设置双脉冲配置的时序。在 VDC = 600V 以及 LLOAD = 21.6 µH 的条件下，需要 9 µs 脉冲才能达到 250A。双 脉冲波形的完整时序如图 5 所示。第一个脉冲的导通时 间定义为时间 0。在 tOFF1 时进行关断测量，在 tON2 时 进行导通测量。第一个脉冲的宽度（tOFF1 - tON1）设置 为能够达到所需的电流；第二个脉冲的宽度 （tOFF2 - tON2）基本上无关紧要，只要其宽度足以使系统在导通 后趋于稳定，以便获取正常的测量结果。

Augmented Switching 配置

为清晰起见，图 5 中的开关曲线以简化的方式显示了在 VGS(ON) 和 VGS(OFF) 之间直接切换时的导通和关断边 沿。AgileSwitch 栅极驱动器使用 Augmented Switching 功能，通过精确的时序和电压步长以数字方式控制这些 边沿。针对这些测试，我们将驱动器编程为无任何中间 导通步骤（即导通波形直接从VGS(OFF)切换至VGS(ON)） 以及只有一个中间关断步骤，如图 6 中所示；该设置称 为两级关断 （Two-Level Turn-Off， TLTO）。我们还测 试了多个 VTLTO 和 tTLTO 设置，以观察模块在各种开关 配置中的性能。

结果

导通 图 7 显示了示波器中的导通结果。电流峰值达到 323A， 然后稳定在其设定点 250A。


表 4 汇总了此测试的参数值；导通能量损耗为 1.67 mJ， 比数据手册规范低 68%。

关断

图 8 和图 9 显示了两种不同设置的关断结果：一种设 置针对低开关损耗进行了优化，另一种设置则针对低过 冲电压进行了优化。通常，中间步骤时间越长，器件关 断速度就越慢，从而导致更高损耗，但可实现更低过 冲，如表 6 所示。


关断期间实现的最低开关损耗为 1.37 mJ （过冲为 513V），最低过冲为 228V （损耗为 4.94 mJ）。

短路测试

硬件设置


短路测试的设置与双脉冲测试类似，只是将电感换为小 电阻 （330 mΩ）。此外，为了与模块数据手册中的参 数相匹配，我们将直流链路电压增加至 800V。

图 10： 短路硬件设置

软件设置

除了正常工作期间的两级关断（TLTO）外， 2ASC12A1HP 还具有检测到去饱和 / 短路事件后执行多级关 断 （Multilevel Turn-Off， MLTO）的功能。此功能与 TLTO 类似，但有一个额外的中间步骤。电压值和这些 步骤的时序可在软件中配置，所以我们测试了一些设置 组合，目的是确认哪种设置既可以提供足够的关断速 度，又能最大限度地降低过冲电压。最终设置请参见 表 7。此外还可以配置去饱和跳脱值，可将其转换为特 定的检测时间。目前的设置是 1.5 μs，可在确保零误报 的同时实现快速检测。

注 2：关断能量损耗规定为5.10 mJ（典型值）。

结果

图 12 显示了短路事件期间的三个关键波形：通道 4 （绿色）显示，由于在上桥臂 MOSFET 两端跨接 330 m 电阻，电流迅速上升；通道 1 （黄色）显示采用 多级关断的栅极信号；通道 2 （品红色）则显示下桥臂 MOSFET 两端的电压。驱动器在 1.5 μs 后开始切断栅 极信号，此时电流已升至 1.48 kA 峰值。由于关断配置 受控， 800V 总线上的电压过冲被限制为 280V。

总结

双脉冲测试结果表明，62 mm SiC 模块平台是一个稳健 的模块。考虑到封装和假定的系统中存在电感，制造商 选用的栅极电阻 （Rg on/off = 3.9 ）似乎是合理的。 数据手册中的损耗似乎与其他制造商的同等产品一致。 结果表明， AgileSwitch 的 Augmented Switching 技术 具有以下性能优势： 1. 可在开关损耗与 Vds 过冲之间调整平衡点 a) 针对最低开关损耗进行优化时，关断损耗降 低 73% b) 针对最低 Vds 过冲进行优化时，关断损耗降 低 3% 2. 稳健的短路保护 a) 总短路时间不到 2s b) Vds 过冲和振铃受控 总之，通过 Augmented Switching 技术，支持工程师可 对系统性能进行细致的调整。