驱动APTMC120AM20CT1AG SiC电源开关的ADuM4135栅极驱动器的性能

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作者:Martin Murnane

简介

在太阳能光伏(PV)和储能应用中,提高功率密度已经成为一种趋势,另外我们还需要不断提高效率。碳化硅(SiC)功率器件提供了这个问题的解决方案。SiC器件是宽带隙器件,能够在高于1000 V dc的电压下工作,通常具有较低的漏源阻抗(RDSON)。SiC器件还能满足降低导电性从而提高效率的需求。SiC器件还能达到高于100 kHz的快速开关速度,而且开关过程中的寄生电容和相关电荷也比较低。但它们也存在一些缺点,包括要求栅极驱动器具有大于100 kV/μs的较高共模瞬变抗扰度(CMTI)。另一个缺点是,SiC的漏源的较高开关频率可能导致器件栅极的振荡。在驱动较高电压的SiC器件(使用它们可以实现显著的功率密度提升)时,这些缺点可能导致问题。作为栅极驱动器和SiC的一种组合,ADuM4135和Microsemi APTMC120AM20CT1AG模块可以解决这些问题。ADuM4135栅极驱动器是一款单通道器件,在25 V的工作电压下(VDD至VSS),典型驱动能力为7 A源电流和灌电流。最小CMTI为100 kV/μs。APTMC120AM20CT1AG电源模块是一款半桥SiC器件,集电极-发射极电压额定值为1200 V,RDSON为17 mΩ,具有108 A的连续电流能力。栅源电压(VGS)额定值为10 V至+25 V。

1 (1)

1.ADuM4135栅极驱动器模块

 

测试设置

电气设置

系统测试电路设置如图2所示。直流电压施加于半桥两端的输入,900 µF的去耦电容添加到输入级。输出级为83 µH和128 µF的电感电容(LC)滤波器级,对输出进行滤波,传送到2 Ω至30 Ω的负载R1。

表1显示了测试设置功率器件的列表。图3显示了物理设置,表2详细列出了用于测试的设置设备。

1 (2)

2.系统测试电路设置

 

1.测试设置功率器件

设备

数值

U1

200 V至900 V

C1

900 μF

L1

83 μH

C2

128 μF

R1

2 Ω至30 Ω

 

2.用于测试的设置设备

设备

制造商

类型

示波器

Keysight

DSO-X 3024T

直流电源

Delta Elektronika

SM 660-AR-11(两个串行)

栅极驱动器板

Watt&Well

ADUM4135-WW-MS-01 SN001

波形发生器

Agilent

33522A

电流探针

Hioki

3275

无源电压探针

Keysight

N2873A 500 MHz

无源高电压探针

Elditest

GE3421 100 MHz

 

1 (3)

3.物理设置

 

测试结果

无负载测试

 

3.无负载测试 对应插图

测试

VHV (V)1

开关频率,fSW (kHz)

占空比(%)

IIN (A)2

图示

1

600

50

50

0.26

图4和图5

2

600

100

50

0.22

图6和图7

3

900

50

50

0.37

图8和图9

1      VHV是HV+和HV−之间的差分电压。

2      IIN表示通过U1的输入电流。

 

4.无负载测试 温度总结

测试

VHV (V)

fSW (kHz)

环境温度(°C)

散热器温度(°C)

电源温度,高端(°C)

电源温度,低端(°C)

栅极驱动器温度,高端(°C)

 

栅极驱动器温度,低端(°C)

4

600

50

20

21.3

25.4

25.4

34

33.5

5

600

100

20

23.5

31.5

31.5

42

42

6

900

50

20

23

29

29

37

37

 

最新版本的ADuM4135有了一些变化,包括在功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET) Q1和Q2的栅极上添加了2.2 nF的电容。15 nF的去耦电容C0G添加到VHV表3和表4概括了发现的结果,图4至图9显示了结果的依据。测试1和测试2在600 V电压下进行,分别在50 kHz和100 kHz的开关频率下进行,而测试3则在900 V电压和50 kHz的开关频率下进行。

1 (4)

4.VHV = 600 VfSW = 50 kHz,无负载,打开

1 (5)

5.VHV = 600 VfSW = 50 kHz,无负载,关闭

1 (6)

6.VHV = 600 VfSW = 100 kHz,无负载,打开

1 (7)

7.VHV = 600 VfSW = 100 kHz,无负载,关闭

1 (8)

8.VHV = 900 VfSW = 50 kHz,无负载,打开

1 (9)

9.VHV = 900 VfSW = 50 kHz,无负载,关闭

 

负载测试

5.负载测试

测试

VHV (V)

fSW (kHz)

占空比(%)

IOUT1 (A)

VOUT2 (V)

POUT3 (W)

IIN4 (A)

图示

4

200

50

25

1.7

48

83

0.55

图10和图11

5

600

50

25

6.9

145

1000

1.66

图12和图13

6

900

50

25

8.7

215

1870.5

2.47

图14和图15

7

900

100

25

8.2

200

1640

2.13

图16和图17

1      IOUT是负载电阻R1中的输出电流。

2      VOUT是R1两端的输出电压。

3      POUT是输出功率(IOUT × VOUT)。

4      IIN表示通过U1的输入电流。

板配置类似于“无负载测试”部分的测试设置。

表5概括了在负载测试中发现的结果,图10至图17显示了结果的依据。

测量输出电压(VOUT),也就是R1两端的电压。测试结果显示了VGS上的一些米勒反馈,但在SiC的栅极,VGS仍为−5 V电平。在900 V电压下,在VDS上看到一些振荡,但小于100 V的输入直流电压。此设计显示了ADuM4135如何能够驱动SiC MOSFET,并且提供优良性能。

2 (1)

10.VHV = 200 VfSW = 50 kHzPOUT = 83 W,打开

2 (2)

11.VHV = 200 VfSW = 50 kHzPOUT = 83 W,关闭

2 (3)

12.VHV = 600 VfSW = 50 kHzPOUT = 1000 W,打开

2 (4)

13.VHV = 600 VfSW = 50 kHzPOUT = 1000 W,关闭

2 (5)

14.VHV = 900 VfSW = 50 kHzPOUT = 1870.5 W,打开

2 (6)

15.VHV = 900 VfSW = 50 kHzPOUT = 1870.5 W,关闭

2 (7)

16.VHV = 900 VfSW = 100 kHzPOUT = 1640 W,打开

2 (8)

17.VHV = 900 VfSW = 100 kHzPOUT = 1640 W,关闭

 

高电流测试

6.高电流测试

测试

VHV (V)

fSW (kHz)

占空比(%)1

IOUT (A)

2

VOUT (V)

3

PIN4 (W)

IIN (A)

5

图示

4

300

50

25

21.8

70.14

1526

5

图18和图19

5

400

50

25

27.1

93.8

2640

6.6

图20和图21

6

600

50

25

40.5

141

6000

10

图22和图23

1      占空比高端。

2      IOUT是负载电阻R1中的输出电流。

3      VOUT是R1两端的输出电压。

4      PIN是输入功率(IIN × VHV)。

5      IIN表示通过U1的输入电流。

板配置类似于“无负载测试”部分的测试设置。本测试中使用了Regatron电源。

表6概括了在高电流测试中发现的结果,图18至图23显示了结果的依据。

测量VOUT,也就是R1两端的电压。

3 (1)

18.VHV = 300 VfSW = 50 kHz,输出电流(IOUT) = 21.8 A,打开

3 (2)

19.VHV = 300 VfSW = 50 kHz,输出电流(IOUT) = 21.8 A,关闭

3 (3)

20.VHV = 400 VfSW = 50 kHz,输出电流(IOUT) = 27.1 A,打开

3 (4)

21.VHV = 400 VfSW = 50 kHz,输出电流(IOUT) = 27.1 A,关闭

3 (5)

22.VHV = 600 VfSW = 50 kHz,输出电流(IOUT) = 40.5 A,脉冲宽度调制(PWM)延迟,打开

3 (6)

23.VHV = 600 VfSW = 50 kHz,输出电流(IOUT) = 40.5 A,关闭

 

PWM延迟

ADuM4135输入和输出PWM测量两个信号之间的延迟。这些测试直接在ADuM4135的输入和输出引脚上进行。延迟为59.4 ns。

3 (7)

24.输入和输出PWM之间的延迟,打开

3 (8)

25.输入和输出PWM之间的延迟,关闭

原理图

$}7B98G9~T2YTCAX0O`[{LG

图26.ADuM4135栅极驱动器板原理图

 

结论

ADuM4135栅极驱动器具有电流驱动能力和正确的电源范围,还有大于100 kV/µs的强大CMTI能力,在驱动SiC MOSFET时提供优良的性能。

测试结果提供了数据,表明该产品为驱动SiC的隔离电源、高电压栅极驱动器提供了解决方案。