驅動APTMC120AM20CT1AG SiC電源開關的ADuM4135柵極驅動器的性能

簡介

在太陽能光伏(PV)和儲能應用中，提高功率密度已經成為一種趨勢，另外我們還需要不斷提高效率。碳化硅(SiC)功率器件提供了這個問題的解決方案。SiC器件是寬帶隙器件，能夠在高于1000 V dc的電壓下工作，通常具有較低的漏源阻抗(RDSON)。SiC器件還能滿足降低導電性從而提高效率的需求。SiC器件還能達到高于100 kHz的快速開關速度，而且開關過程中的寄生電容和相關電荷也比較低。但它們也存在一些缺點，包括要求柵極驅動器具有大于100 kV/μs的較高共模瞬變抗擾度(CMTI)。另一個缺點是，SiC的漏源的較高開關頻率可能導致器件柵極的振蕩。在驅動較高電壓的SiC器件(使用它們可以實現顯著的功率密度提升)時，這些缺點可能導致問題。作為柵極驅動器和SiC的一種組合，ADuM4135和Microsemi APTMC120AM20CT1AG模塊可以解決這些問題。ADuM4135柵極驅動器是一款單通道器件，在25 V的工作電壓下(VDD至VSS)，典型驅動能力為7 A源電流和灌電流。最小CMTI為100 kV/μs。APTMC120AM20CT1AG電源模塊是一款半橋SiC器件，集電極-發(fā)射極電壓額定值為1200 V，RDSON為17 mΩ，具有108 A的連續(xù)電流能力。柵源電壓(VGS)額定值為10 V至+25 V。

圖1.ADuM4135柵極驅動器模塊

測試設置

電氣設置

系統(tǒng)測試電路設置如圖2所示。直流電壓施加于半橋兩端的輸入，900 µF的去耦電容添加到輸入級。輸出級為83 µH和128 µF的電感電容(LC)濾波器級，對輸出進行濾波，傳送到2 Ω至30 Ω的負載R1。

表1顯示了測試設置功率器件的列表。圖3顯示了物理設置，表2詳細列出了用于測試的設置設備。

圖2.系統(tǒng)測試電路設置

圖3.物理設置

測試結果

無負載測試

表3.無負載測試 — 對應插圖

1 VHV是HV+和HV−之間的差分電壓。

2 IIN表示通過U1的輸入電流。

表4.無負載測試 — 溫度總結

最新版本的ADuM4135有了一些變化，包括在功率金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET) Q1和Q2的柵極上添加了2.2 nF的電容。15 nF的去耦電容C0G添加到VHV。表3和表4概括了發(fā)現的結果，圖4至圖9顯示了結果的依據。測試1和測試2在600 V電壓下進行，分別在50 kHz和100 kHz的開關頻率下進行，而測試3則在900 V電壓和50 kHz的開關頻率下進行。

圖4.VHV = 600 V，fSW = 50 kHz，無負載，打開

圖5.VHV = 600 V，fSW = 50 kHz，無負載，關閉

圖6.VHV = 600 V，fSW = 100 kHz，無負載，打開

圖7.VHV = 600 V，fSW = 100 kHz，無負載，關閉

圖8.VHV = 900 V，fSW = 50 kHz，無負載，打開

圖9.VHV = 900 V，fSW = 50 kHz，無負載，關閉

負載測試

表5.負載測試

1 IOUT是負載電阻R1中的輸出電流。

2 VOUT是R1兩端的輸出電壓。

3 POUT是輸出功率(IOUT × VOUT)。

4 IIN表示通過U1的輸入電流。

板配置類似于“無負載測試”部分的測試設置。

表5概括了在負載測試中發(fā)現的結果，圖10至圖17顯示了結果的依據。

測量輸出電壓(VOUT)，也就是R1兩端的電壓。測試結果顯示了VGS上的一些米勒反饋，但在SiC的柵極，VGS仍為−5 V電平。在900 V電壓下，在VDS上看到一些振蕩，但小于100 V的輸入直流電壓。此設計顯示了ADuM4135如何能夠驅動SiC MOSFET，并且提供優(yōu)良性能。

圖10.VHV = 200 V，fSW = 50 kHz，POUT = 83 W，打開

圖11.VHV = 200 V，fSW = 50 kHz，POUT = 83 W，關閉

圖12.VHV = 600 V，fSW = 50 kHz，POUT = 1000 W，打開

圖13.VHV = 600 V，fSW = 50 kHz，POUT = 1000 W，關閉

圖14.VHV = 900 V，fSW = 50 kHz，POUT = 1870.5 W，打開

圖15.VHV = 900 V，fSW = 50 kHz，POUT = 1870.5 W，關閉

圖16.VHV = 900 V，fSW = 100 kHz，POUT = 1640 W，打開

圖17.VHV = 900 V，fSW = 100 kHz，POUT = 1640 W，關閉

高電流測試

表6.高電流測試

1 占空比高端。

2 IOUT是負載電阻R1中的輸出電流。

3 VOUT是R1兩端的輸出電壓。

4 PIN是輸入功率(IIN × VHV)。

5 IIN表示通過U1的輸入電流。

板配置類似于“無負載測試”部分的測試設置。本測試中使用了Regatron電源。

表6概括了在高電流測試中發(fā)現的結果，圖18至圖23顯示了結果的依據。

測量VOUT，也就是R1兩端的電壓。

圖18.VHV = 300 V，fSW = 50 kHz，輸出電流(IOUT) = 21.8 A，打開

圖19.VHV = 300 V，fSW = 50 kHz，輸出電流(IOUT) = 21.8 A，關閉

圖20.VHV = 400 V，fSW = 50 kHz，輸出電流(IOUT) = 27.1 A，打開

圖21.VHV = 400 V，fSW = 50 kHz，輸出電流(IOUT) = 27.1 A，關閉

圖22.VHV = 600 V，fSW = 50 kHz，輸出電流(IOUT) = 40.5 A，脈沖寬度調制(PWM)延遲，打開

圖23.VHV = 600 V，fSW = 50 kHz，輸出電流(IOUT) = 40.5 A，關閉

PWM延遲

ADuM4135輸入和輸出PWM測量兩個信號之間的延遲。這些測試直接在ADuM4135的輸入和輸出引腳上進行。延遲為59.4 ns。

圖24.輸入和輸出PWM之間的延遲，打開

圖25.輸入和輸出PWM之間的延遲，關閉

原理圖

圖26.ADuM4135柵極驅動器板原理圖

結論

ADuM4135柵極驅動器具有電流驅動能力和正確的電源范圍，還有大于100 kV/µs的強大CMTI能力，在驅動SiC MOSFET時提供優(yōu)良的性能。

測試結果提供了數據，表明該產品為驅動SiC的隔離電源、高電壓柵極驅動器提供了解決方案。