當(dāng)SiC MOSFET遇上2L-SRC

導(dǎo)讀】事物皆有兩面：SiC MOSFET以更快的開關(guān)速度，相比IGBT可明顯降低器件開關(guān)損耗，提升系統(tǒng)效率和功率密度；但是高速的開關(guān)切換，也產(chǎn)生了更大的dv/dt和di/dt，對一些電機(jī)控制領(lǐng)域的電機(jī)絕緣和EMI設(shè)計(jì)都帶來了額外的挑戰(zhàn)。

應(yīng)用痛點(diǎn)

氫燃料系統(tǒng)中的高速空壓機(jī)控制器功率35kW上下，轉(zhuǎn)速高達(dá)10萬轉(zhuǎn)以上，輸出頻率可達(dá)2000Hz，調(diào)制頻率50kHz以上是常見的設(shè)計(jì)，SiC MOSFET是很好的解決方案。

但是，SiC的高dv/dt和諧波會(huì)造成空壓機(jī)線包發(fā)熱和電機(jī)軸電流。

一般的對策有二：

1.采用大的柵極電阻去驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET，抑制dv/dt，但會(huì)顯著增加開關(guān)損耗，影響效率。

2.采用輸出濾波器抑制諧波電流、降低電機(jī)側(cè)的dv/dt，但體積會(huì)占控制器的三分之一以上，增加成本，同時(shí)濾波器的引入也會(huì)造成一定損耗。

以上兩種典型設(shè)計(jì)，以犧牲損耗和效率為代價(jià)，似乎“魚與熊掌，不可兼得”……

英飛凌解決方案

針對上述設(shè)計(jì)痛點(diǎn)，英飛凌創(chuàng)新地推出了2L-SRC系列驅(qū)動(dòng)IC，結(jié)合SiC開關(guān)特性進(jìn)行Rg的優(yōu)化配置，以期兩全之美，具體過程請看下文分解：

SiC開關(guān)特性

圖1是SiC的開關(guān)特性示意圖，描述了dv/dt與Ic，dv/dt與Rg，Esw與Rg之間的關(guān)系

圖1(a)

圖1(b)

由上圖1的曲線可知：SiC的dv/dt最大值會(huì)出現(xiàn)在小電流開通和大電流關(guān)斷的時(shí)候，通過增加Rgon和Rgoff可以分別降低開通和關(guān)斷的dv/dt最值，但是SiC的開關(guān)損耗Esw將隨之增加。

利用2L-SRC的解題思路

其實(shí)解題之術(shù)不難。去年英飛凌業(yè)就推出了2L-SRC的驅(qū)動(dòng)IC，結(jié)合電機(jī)控制領(lǐng)域的IGBT開關(guān)特性，提出小電流用大Rg，大電流用小Rg的方法來解決(具體請參考文末的AN文檔)。

此處我們依然可以借鑒其思路，針對SiC MOSFET開關(guān)特性，展開相應(yīng)的Rg優(yōu)化策略。

為了便于大家理解整個(gè)過程，本文依據(jù)圖1的SiC趨勢曲線，假定了圖2和圖3中的相關(guān)曲線，作為后續(xù)2L-SRC驅(qū)動(dòng)IC優(yōu)化Rg和電路仿真分析的基礎(chǔ)。

(圖2和圖3曲線基于合理性假設(shè)，僅供原理參考，真實(shí)曲線應(yīng)以SiC實(shí)測為準(zhǔn)。)

優(yōu)化配置dv/dt(on)時(shí)的開通電阻Rgon策略

圖2.1200V SiC MOSFET dv/dt(on)與Ic關(guān)系曲線

由SiC開通dv/dt特性，假設(shè)Rgon=5Ω和Rgon=10Ω兩條曲線，和預(yù)設(shè)的dv/dt限制值如圖2；可根據(jù)輸出電流Ic大小，將Rgon分成兩部分，在電流Id=[0,50A]的區(qū)間采用Rgon=10Ω開通，在電流=[50A,200A]的區(qū)間換成Rgon=5Ω開通。相比傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方案(全電流范圍都要用Rgon=10Ω)，可以在中大電流區(qū)間(50A,200A]獲得小電阻開通的Eon損耗優(yōu)勢。

優(yōu)化配置dv/dt(off)時(shí)的關(guān)斷電阻Rgoff策略

圖3.1200V SiC MOSFET dv/dt(off)與Ic關(guān)系曲線

同樣由SiC關(guān)斷dv/dt特性，我們也可以把電流區(qū)間一分為二，如下圖假設(shè)的條件曲線，在電流=[133A,200A]采用大電阻Rgoff=12Ω關(guān)斷，而在電流=[0A,133A]采用小電阻Rgoff=6Ω關(guān)斷。相比傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方案(全電流范圍都要用Rgoff=12Ω)，可以在中小電流區(qū)間[0A,133A]獲得小電阻關(guān)斷的Eoff損耗優(yōu)勢。

優(yōu)化配置dv/dt的驅(qū)動(dòng)策略小結(jié)

根據(jù)上述案例分析，優(yōu)化了驅(qū)動(dòng)電阻Rg控制策略，將電流分成了小電流、中電流、大電流的三部分區(qū)間，分別對應(yīng)不同的門極電阻設(shè)置，然后在預(yù)定的電流閾值進(jìn)行Rgon和Rgoff的切換，以達(dá)到優(yōu)化驅(qū)動(dòng)的目的，如下圖所示:

圖4.基于圖2和圖3的驅(qū)動(dòng)電阻Rg控制策略

基于2L-SRC的驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)

依據(jù)上述的思路和流程，相關(guān)的驅(qū)動(dòng)電阻Rg配置策略不難得到。

古人云“工欲善其事，必先利其器”，如何用2L-SRC驅(qū)動(dòng)IC來實(shí)現(xiàn)呢？

2L-SRC驅(qū)動(dòng)IC產(chǎn)品與功能簡介

圖5.2L-SRC(1ED3240MC12H)功能框圖

2L-SRC的典型功能框圖，如圖5所示，簡潔的8pin設(shè)計(jì)。只是在常規(guī)IN輸入和OUT輸出之外，又增加了一組OUTF輸出。根據(jù)/INF信號與IN信號電平之間的邏輯關(guān)系，可以靈活配置OUTF狀態(tài)，在常規(guī)OUT輸出的開通和關(guān)斷時(shí)刻發(fā)生作用。

結(jié)合下圖，可以更直觀理解2L-SRC驅(qū)動(dòng)IC外接門極電阻時(shí)，主要的四種狀態(tài)：

圖6.2L-SRC(1ED3240MC12H)驅(qū)動(dòng)電阻Rg配置示意圖

●   當(dāng)OUTF僅在開通時(shí)使能，則開通電阻Rgon=R1//R3，關(guān)斷電阻Rgoff=R2；

●   當(dāng)OUTF僅在關(guān)斷時(shí)使能，則關(guān)斷電阻Rgoff=R2//R4，開通電阻Rgon=R1；

●   當(dāng)OUTF同時(shí)開通和關(guān)斷使能，則開通電阻Rgon=R1//R3，關(guān)斷電阻Rgoff=R2//R4；

●   當(dāng)OUTF開通和關(guān)斷皆不使能，則開通電阻Rgon=R1，關(guān)斷電阻Rgoff=R2；

有關(guān)OUTF與控制信號/INF和輸入信號IN之間的狀態(tài)關(guān)系，如圖7所示，規(guī)格書有詳盡解讀，這里就不贅述了：

圖7.OUTF與輸入IN和控制/INF之間的狀態(tài)關(guān)系圖((1ED3240MC12H))

關(guān)于OUTF的核心邏輯就是：

●   開通時(shí)刻，在輸入信號IN電平跳高時(shí)，/INF信號為低電平(0)，則OUTF在開通時(shí)刻使能；

●   關(guān)斷時(shí)刻，在輸入信號IN電平跳低時(shí)，/INF信號為高電平(1)，則OUTF在關(guān)斷時(shí)刻使能。

2L-SRC驅(qū)動(dòng)的Rg配置(基于圖4控制策略)

基于2L-SRC驅(qū)動(dòng)IC的控制邏輯，和上述SiC案例中的的驅(qū)動(dòng)電阻Rg優(yōu)化控制策略，我們可以進(jìn)一步將2L-SRC驅(qū)動(dòng)IC的配置細(xì)化如下：

圖8.基于圖4的2L-SRC(1ED3240MC12H)驅(qū)動(dòng)電阻Rg示意圖

基于圖8的驅(qū)動(dòng)電阻配置可得：R1=10Ω,.R2=12Ω, R3=10Ω,R4=12Ω

最終的驅(qū)動(dòng)和控制策略如下：

●   當(dāng)電流=[0,50A]時(shí)，/INF為波形序列A，OUTF只在關(guān)斷時(shí)刻使能，此時(shí)Rgon=R1=10Ω，Roff=R2//R4=12//12=6Ω；

●   當(dāng)電流=(50A,133A]時(shí)，/INF為波形序列B，OUTF在開通和關(guān)斷時(shí)刻皆使能，此時(shí)Rgon=R1//R3=10//10=5Ω，Rgoff=R2//R4=12//12=6Ω；

●   當(dāng)電流=(133,200A]時(shí)，/INF為波形序列C，OUTF只在開通時(shí)刻使能，此時(shí)Rgon=R1//R3=10//10=5Ω，Rgoff=R2=12Ω；

PS：為了實(shí)現(xiàn)在不同電流區(qū)間，給出不同的/INF波形序列，或增加一路簡單的控制閉環(huán)。例如，對輸出電流值進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣或估算，判斷瞬時(shí)電流所在電流區(qū)間，然后通過上位機(jī)(如CPLD、DSP等)給出對應(yīng)的信號，到驅(qū)動(dòng)IC的/INF引腳。

應(yīng)用案例仿真參考

基于上述2L-SRC的可變Rg配置策略，我們搭建了PLECS電路，參考高速空壓機(jī)的應(yīng)用條件，選取了SiC半橋模塊，進(jìn)行兩電平三相逆變電路的仿真驗(yàn)證和對比。

相關(guān)仿真條件如下：

SiC Easy半橋模塊：FF6MR12W2M1_B70 (1200V/200A AlN)

散熱器溫度Th=50C,Fsw=50kHz,fo=1kHz, Io=142Arms,Vdc=600V,Modi=1.0,SVPWM,PF=0.95

傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方案:Rgon=10Ω,Rgoff=12Ω，Rg全范圍固定阻值

2L-SRC驅(qū)動(dòng)方案：Rgon=5、10Ω,Rgoff=6、12Ω,Rg隨電流區(qū)間切換(圖8)

圖9.傳統(tǒng)Rg控制與2L-SRC Rg控制的仿真結(jié)果對比

全文總結(jié)

文章結(jié)合SiC開關(guān)特性和2L-SRC驅(qū)動(dòng)IC的Rg優(yōu)化配置，再加上基于一定合理性假設(shè)的SiC案例分析，以及最后的仿真對比，效果已然呈現(xiàn)。