恩智浦GD3160高级栅极驱动确保功率转换器安全、高效运行

过去几年，碳化硅 （SiC） MOSFET在功率电子领域迅速普及。同时，为了在汽车和电动车的三相逆变器中加强SiC的应用，SiC器件的电压电流能力需要显著提高。提高电压等级需要提升SiC芯片本身的设计，而提高电流能力在大多数情况下则需要在单个功率模块中并联多个SiC芯片。模块经过精心设计，在高电流、散热、寄生组件管理和使用寿命之间实现了平衡。

RoadPak SiC MOSFET 1.2kV模块完美满足上述要求，其采用半桥配置，每侧可并联多达10个SiC MOSFET芯片，支持大电流。

为了充分利用SiC MOSFET技术实现的低损耗，应用层面必须实现高速切换，以降低开关损耗，提高效率。然而，在实践中，功率半导体器件的开通和关断面临一系列困难，需要仔细设计整个系统。模块的栅极驱动单元需要与功率模块完美协调，不仅要平衡栅源电压的性能，还要能驱动基本的安全特性，为逆变器的运行提供安全的机制。

此外，栅极驱动单元还具备智能化的特色和控制方法，可进一步提高功率模块的性能。恩智浦GD3160高级栅极驱动 （器） 是一款功能齐全的集成式栅极驱动单元，不仅为下一代SiC功率模块提供了稳健的控制，还带有确保功率转换器安全、高效运行等多种功能。

本白皮书重点介绍了名为“分段驱动”的栅波整形功能，具体请参见在日立RoadPak SiC MOSFET模块上演示的恩智浦GD3160高级栅极驱动。该功能支持在正常电流范围内实现功率模块快速开关，同时在发生过流时保护模块免受过压影响。这种去耦合支持设计高效的逆变器单元，而不用担心发生故障时会损坏模块。

本白皮书证明了这种“分段驱动”特性可以将模块关闭切换损耗降低30% ~ 40%，具体取决于实际工况。从而支持更高的电流吞吐量和更高能效的逆变器，而不会因应力过冲减少使用寿命。

恩智浦GD3160分段驱动

分段驱动是一种先进的栅极驱动技术，栅极关断强度 （以安培为单位） 根据关断时序逐级降低。分段驱动通过降低关断过程中短时很重要的那部分的电流来减缓关断过程。

这减少了电压过冲，甚至支持在条件允许的情况下使用较小的栅极驱动电阻来降低开关损耗。这类智能、复杂的方法利用连接到功率器件漏极/集电极之间的DESET电路来实现。

图1：恩智浦GD3160分段驱动框图

不采用分段驱动时，关断期间的过冲和损耗取决于栅极驱动电阻值 （RGL），通常直接成反比关系 （即过冲较低意味着关断损耗较高，反之亦然）。

启用和配置了分段驱动后，可以实现更低的过冲和更低的关断能耗，因为GD316的电流限制了部分关断时序的关断路径。由于栅极驱动修改了关断电流时序，关断性能不再仅仅取决于栅极驱动电阻值。

该功能可配置度高，具有动态灵活性，可适应不断变化的电流和温度条件。分段驱动仅在非故障关闭时有效，不应与电流限制 软关断的去饱和、短路保护或过流故障保护相混淆。

分段驱动效果的基础示例

分段驱动时序只是略微修改正常无故障的关断操作。下图显示了GD3160上栅极驱动修改的程度（及其对过冲电压的影响）。

图2：分段驱动对栅极和过冲的影响

在分段驱动时序中执行以下步骤：

1

发出PWM命令，关闭功率模块。

2

栅极开始使用RGL关断电阻的最高强度关闭，DESAT引脚电压上升。

3

当DESAT引脚上的电压超过分段驱动激活阈值 （VSEGDRV_TH） 时，栅极驱动开始改变关断流程并持续到时序结束。

4

在激活软关断电流 （ISSD） 之前，增加了100ns的延迟以及分段驱动激活延迟时间 （tSEGDRVDLY）

5

软关断功能用于缓慢通过功率器件的阈值区域，减少di/dt和过冲应力。

使用分段驱动降低开关损耗

可选择关断栅极电阻（RGL），通过限制最坏情况的过冲，分段驱动允许系统设计师使用比其他情况下更低的关断电阻值。使用较小的电阻可降低总关断损耗并

提高效率。

我们使用日立RoadPak和GD3160进行了实验室测试，以证明使用这种分段驱动功能可以实现效率提升。

测试用例使用的是800V逆变器。为了确定安全的栅极电阻RGL，我们使用了950V / 1000A车辆中可能发生的最坏情况。得益于日立RoadPak模块的低杂散电感，在这种最坏情况下出现过冲的概率非常低，如果不启用分段驱动功能，系统设计人员需要将RGL设置为3欧姆。

下图显示，在950V / 1000A的最坏情况下，RGL = 3欧姆时，VDS过冲达到1096V，接近1100V的目标，对于这个SiC模块来说是安全的。

图3：950V / 1000A时的关断波形，关闭分段驱动功能，RGL=3欧姆　　

      审核编辑：彭静