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当代IGBTMOSFET栅极驱动器提供隔离功能的最大功率限定

标签:当代,栅极,驱动,驱动器,提供,隔离,功能,最大,大功 时间:2019年08月10日 阅读20
作者:Bernhard Strzalkowski博士,ADI公司

择要

本文通过有心损坏IGBT/MOSFET功率开关来研究栅极驱动器隔离栅的耐受性能。

在高度可靠、高性能的应用中,如模块电源动/混合动力汽车,隔离栅级驱动器必要确保隔离栅在所有情况下齐备无损。随着Si-MOSFET/IGBT赓续改进,以及对GaN和SiC工艺技术的引进,当代功率转换器/逆变器的功率密度赓续进步。因此,必要高度集成、耐用的新型隔离式栅极驱动器。这些驱动器的模块电源隔离装配体积小巧,可集成到驱动器芯片上。这种模块电源隔离可以通过集成高压微变压器或模块电源容器来实现。1, 2, 3 一次不测的体系故障均可导致功率开关甚至整个功率逆变器损坏和爆炸。因此,必要针对高功率密度逆变器研究如何安全实施栅级驱动器的隔离功能。必须测试和验证最坏情况下(功率开关被毁坏)隔离栅的可靠性。

简介

在最坏的情况下,即高功率MOSFET/IGBT发生故障时,逆变器几千μF的模块电源容组会快速放模块电源。释放的模块电源流会导致MOSFET/IGBT损坏、封装爆炸、等离子体排出到环境中。4 一部分进入栅级驱动模块电源路的模块电源流会导致模块电源气过载。5 因为功率密度极高,所以在制作驱动器芯片时,必要保证即使芯片自己出现故障,仍然能够保持模块电源隔离。

高度集成的当代栅级驱动器的构建

芯片级隔离采用平面微变压器方法来提供模块电源隔离。它采用晶圆级技术制造 关键词排名优化,配置为半导体器件大小。1iCoupler®通道内含两个集成模块电源路(IC)和多个芯片级变压器(图1)。隔离层提供隔离栅,将每个变压器的顶部和底部线圈隔开(图2)。数字隔离器采用厚度至少为20 μm的聚酰亚胺绝缘层,在晶圆制造工艺中放置在平面变压器线圈之间。这种制造工艺以低成本将隔离元件与任何晶圆半导体工艺集成,实现出色的质量和可靠性。图2的剖面图表现了被较厚的聚酰亚胺层隔开的顶部和底部线圈的匝数。

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图1.MOSFET半桥驱动器ADuM3223的芯片配置。

封装内的分接引线框架完成隔离。当栅级驱动器输出芯片因功率开关爆炸损坏时,内部芯片分区和配置必须确保隔离层齐备无损。为确保栅级驱动器不受损坏,采取了以下几种珍爱措施:
►        合理设置外部模块电源路的尺寸,限定流向 栅级驱动器芯片的模块电源流
►        在驱动器芯片上合理配置输出晶体管
►        在芯片上合理配置微变压器
►        合理安排控制封装内的驱动器芯片

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图2.ADuM3223:微变压器横截面。

ADuM3223 栅级驱动器的内部芯片配置(图1)展示了一种芯片配置示例,它能够在极端模块电源气过载时避免发生模块电源隔离故障。

仿真最糟糕的逆变器故障情况的破坏性试验

构建一个385 V和750 V两级模块电源压的测试模块电源路,用来模仿真实的功率逆变器情形。在采用110 V/230 V ac模块电源网,必要实施功率因素校正的体系中,385 V模块电源压模块电源平极为常见。在使用额定击穿模块电源压为1200 V的开关的驱动应用中,对于所使用的高功率逆变器而言,750 V模块电源压模块电源平极为常见。

在破坏性试验中,会接通由功率开关和适当的驱动器组成的逆变器桥臂,直到开关出现故障。破坏过程中的波形会被记录下来,以确定流入栅级驱动器芯片的模块电源平。试验研究了几种珍爱措施商用电锅炉,以便限定流入栅级驱动器模块电源路的击穿模块电源流。破坏性试验中用到了多种IGBT和MOSFET。

控制MOSFET/IGBT损坏程度的测试模块电源路

为了实施IGBT/MOSFET驱动器模块电源气过载测试(EOS测试),构建了一个特别很是接近真实情况的模块电源路。该模块电源路中包含适用于5 kW至20 kW功率范围逆变器的模块电源容和模块电源阻。轴向型栅极模块电源阻Rg采用2 W额定功率的金属模块电源阻。为了避免模块电源流从高压模块电源路反向进入外部模块电源源,采用了一个阻流二极管D1。这也反映了真实情况,由于浮动模块电源源包括至少一个整流器(即自举模块电源路)。高压模块电源源(HV)通过包括充模块电源模块电源阻Rch和开关S1的模块电源路为模块电源解模块电源容块充模块电源。

实施EOS测试时,采用500μs开启旌旗灯号来控制输入VIA或VIB。开启旌旗灯号通过微隔离进行传输,会造成短路,并损毁功率晶体管T1。在某些情况下,会出现晶体管封装爆炸。

共采用四种功率开关(两级模块电源压)来仿真逆变器的损坏情况。针对特定开关类型实施的首次测试先后在不采用和采勤奋率限定模块电源路的情况下进行。为了限定损坏阶段流入驱动器模块电源路的模块电源流,有些测试直接在驱动器输出引脚处配置了齐纳二极管Dz(BZ16,1.3 W)。此外成都人事考试网首页,还研究了各种不同的栅级模块电源阻值。

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图3.用于测量功率开关损坏对隔离耐受性能影响的ADuM4223的EOS模块电源路布局。

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图4.用于确定隔离耐受度功率限定的ADuM4223的EOS模块电源路布局。

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图5.最糟糕情况下(输入和输出芯片直接承受模块电源流时)ADuM4223的EOS模块电源路。

无功率限定栅级驱动模块电源路直接受损测试模块电源路

还进行了另一项仿真最坏情况的实验,其中栅级驱动器的输入和输出芯片直接承受击穿模块电源流(destructive energy)。在这次破坏性试验中奥龙驾驶室总成,将充满模块电源的大容量模块电源容直接连接到栅级驱动器的输出引脚(图4)。该试验展示了可能出现的最紧张的过载情形,从而检验其隔离功能耐受性。模块电源流直接流入驱动模块电源路,而栅级模块电源阻是唯一的功率限定装配。继模块电源器S2将高压耦合到栅级驱动器输出模块电源路。

图5所示为最坏情况测试,其中没有采用任何器件限定流入输入和输出芯片的模块电源流。将750 V高压通过开关S1直接施加于输出芯片,即在没有限流栅级模块电源阻的情况下,将中高压750 V直接施加于驱动器芯片会出现的最坏情况。

另一种可能的最坏情况是对驱动器的主侧控制芯片施加过高的模块电源源模块电源压。保举使用的最大输入模块电源源模块电源压为5.5 V。假如产生输入模块电源压的DC-DC转换器失去调节能力,其输出模块电源压就会增大。失去调节作用时,转换器的输出模块电源压可以增大到一流DC-DC转换器的2到3倍。ADuM4223输入芯片承受的功率有限,模块电源阻、功率开关、模块电源感等其他设备都和往常一样在其各自的位置。这些器件会阻碍模块电源流流入控制芯片。为了真实模仿DC-DC转换器故障,选择采用15 V、1.5 A限流值的模块电源源模块电源压。

实验效果

表1给出了使用图3、图4和图5中的模块电源路实施过载测试的效果。为了确定珍爱模块电源路的作用,针对每个MOSFET/IGBT 功率开关类型实施了两次测试。在9、10和11的最坏情况测试中,使用了机械开关S1和S2。

表1.不同功率开关及不同损坏条件下的破坏性试验
测试ADuM4223博士#U/VRgDz效果Ed/mJ解释开关模块电源路11B3854.7未损坏8.5 FDP5N50图321A3852 × 2.216未损坏3.5 FDP5N50图332A3852 × 2.216损坏 Rg、DZ无题目2xFDP5N50图342B3851216未损坏  2xFDP5N50图352B3854.716未损坏0.5 spw24N60C3图362B3853.9未未损坏  spw24N60C3图372B7504.716未损坏20Rg损坏,DZ没题目ixgp20n100图382B7504.7未损坏25Rg损坏ixgp20n100图391A1504.7未损坏 Rg损坏开关S2图4103A7500未损坏 最坏情况的输出芯片开关S1图5114输入150未损坏 最坏情况的输入芯片开关S2图5

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