如何通过创新的参数识别(PI)方法优化功率模块性能？

在最近举行的PCIM Europe 2024会议上，介绍了一种通过在高压门驱动器中实施参数识别(PI)模式来优化功率模块性能的新方法。将参数识别功能集成到门驱动器中的结果显示，在能源效率和系统稳健性方面具有显著的好处。

高压门驱动器的考虑因素

碳化硅(SiC)功率模块为高压应用提供了一个引人注目的替代传统硅(Si)设备的选择。由于其高击穿电压和在高开关频率下运行的能力，SiC材料大幅提高了功率密度。这一改善不仅增强了功率电子系统的整体效率，还通过减少设计的复杂性来简化其设计。

门驱动对于提升功率器件的高速开关能力至关重要。在当前的功率电子系统中，多个功率晶体管通常并联连接，导致负载不平衡问题。恒流源门驱动器(CSGD)提供了在每个功率晶体管的开关事件的不同阶段修改门电流的灵活性。这一能力在功率晶体管老化并经历电气特性和开关行为变化时，尤其优于电压源门驱动器(VSGD)。

与传统设备不同，博世开发的门驱动测试芯片可以在换向过程中调整其驱动强度，受三个可编程时间间隔和门电流水平的指导。此特性使电路能够独立微调电流和电压换向的开关速度。

门充电

如图1所示，MOSFET的开关过程可以分为四个阶段。从时间t0到t1，门驱动电路充满了门源(CGS)和门漏(CGD)电容，直到门电压达到阈值电压(Vth)。在t1到t2之间，门源电压(VGS)超过Vth，开始引导漏电流流动，最终成为主电流，同时继续充电CGS和CGD。门电压的上升促进了漏电流的增加，直到在t2时门电压与米勒电压VGS(pl)一致。

图1

在t2到t3之间，由于米勒效应，门电压稳定在VGS(pl)，保持稳定状态。在此阶段，主门电流通过MOSFET流动，并且漏电压达到其开启阈值。在此时间段内，恒定的门电压将驱动电流引导至CGD而非CGS。在此时间段内，CGD中收集的电荷(QGD)等于通向门电路的电流与电压降持续时间(t3-t2)的乘积。

最后，从t3到t4，门电压被驱动到超饱和状态，充电CGS和CGD，直到VGS与门供电电压匹配。由于开启瞬态已完成，因此在此最后阶段MOSFET未经历任何开关损耗。

参数识别(PI)模式

在博世最新开发的CSGD集成电路中，PI作为专用操作模式(“PI模式”)得到了实施。该模式使集成电路能够评估影响开关过程的功率半导体的各种参数值，旨在单独分析每个门通道，从而精确确定每个功率半导体芯片的特性。

PI模式的激活通过低电压(LV)通信接口发送指令启动，将ASIC状态设置为特定的PI状态。一旦激活，PI过程利用可配置的恒定门电流源进行测量，包括设置ADC偏移的选项。该偏移决定了ADC将采样的门电压电压范围，确保超出该范围的值不被纳入测量。这种灵活性使PI可以在单个门输出或多个输出的组合上进行，具体取决于分析的要求。

PI过程的结果被捕获并传输到MCU，进一步的数据处理提取必要的参数。准确识别这些参数的能力对于优化系统中功率半导体的性能至关重要，确保门驱动的高效和可靠运行。

需要注意的是，一些市售的VSGD设备具有门阈值监控功能，旨在评估功率晶体管在启动阶段的门开启电压。该过程通过恒定电流源启动功率晶体管的门电容充电，导致门电压稳步上升。当晶体管开始导通时，其门电压稳定在阈值水平。经过预定的消隐期后，内置电压传感器取样稳定的门电压并将该数据记录在寄存器中。所记录的测量值代表实际门电压的缩放值。

虽然这个概念可以用于识别门开启电压的变化或公差，但VSGD设备中实施的方法无法确定通过开关事件单个段所需的门电荷变化。此外，米勒平台区域的变化也无法识别。这个概念可能能够识别功率晶体管开启电压的显著变化或漂移，但其输出可能不够准确，无法有效地调整门驱动强度或门驱动电流曲线。

通过参数识别(PI)进行优化

PI的一个主要用途是为CSGD门驱动器调节电流曲线。通过准确识别门电荷特性(QGS、QGD、QON)，可以定制门驱动信号，以最小化开关损耗，减少电磁干扰(EMI)，并优化开关速度，从而直接促进系统的效率和耐用性。

在VSGD门驱动器中，PI输出可以指导门驱动强度的选择，使其更适应嵌入式系统中的实际条件，而非设计阶段的条件。

PI还通过预测功率器件在各种工作条件下的热行为，特别是在开启事件期间，帮助进行热管理。这些信息可以优化热管理策略，平衡不同并联开关晶体管之间的负载，并减少过热风险，从而提高系统的可靠性和寿命。

此外，通过PI获得的参数可以监测功率器件的磨损或故障，从而实现预测性维护，延长系统寿命。对于先进的功率电子系统，PI数据可用于实现自适应控制算法，根据识别的参数实时调整系统运行。

数据采集

PI方法预见了一个数据采集模式，随后是评估阶段。在数据采集模式下，系统捕获原始数据或参数，然后根据以下关键阶段进行分析：

初始化：此阶段的适当配置对于确保系统准确调谐以捕获所需数据至关重要。

数据采集：数据收集始于开始命令，基于预定义的触发器或条件捕获初始数据点集(“第一段”)。随后的步骤(“第二段”)在扩展条件下继续数据收集，以获取更全面的数据集。

数据传输：此阶段涉及将收集的数据传输到处理或存储单元，保持数据的完整性和可用性，以便于进一步分析或决策过程。MCU对原始数据进行处理，推导出关键参数，确保通过ASIC的PI模式对功率模块功能进行全面评估。

PI模式评估

PI模式评估检查的参数包括环境温度变化、不同的漏源电压VDS水平、PI充电电流配置以及不同恒定阻性负载引起的漏电流变化。

在针对汽车牵引逆变器应用的功率模块上进行的测量显示，门电流的增加导致门源电压曲线的开启阶段更快完成。

结果表明，漏源电压的上升导致米勒平台区域延长，而恒定漏电流的变化引起米勒平台的垂直漂移。晶体管温度的上升则导致米勒平台电压水平降低。

在不同环境条件下对同一功率模块进行PI时测得的电荷值列在下表中。这些数据可以通过MCU算法进行处理，以检测相关趋势和操作条件。

表1

结论

在门驱动器集成电路中实施PI模式，代表了半导体测试和评估在实际牵引逆变器应用中的重大进展。PI模式为理解和提升功率模块性能提供了多功能的基础，能够分析和识别功率模块特性在产品使用生命周期中的趋势或变化。

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