Juan Carlos Rodriguez and Martin Murnane

電動汽車、可再生能源和儲能系統等電力開發的成功取決于電力轉換方案的有效實施。電力電子轉換器的核心包含專用半導體器件以及用于打開和關閉這些半導體的策略，這是通過柵極驅動器實現的。

碳化硅 （SiC） 和氮化鎵 （GaN） 半導體等最先進的寬帶器件具有增強的功能，例如 600 V 至 2000 V 的高額定電壓、低通道阻抗和高達 MHz 范圍的快速開關速度。這些功能增強了柵極驅動器的要求，例如，更短的傳播延遲和通過去飽和改進的短路保護。

本應用筆記展示了ADuM4136柵極驅動器的優勢，ADuM4是一款單通道器件，輸出驅動能力高達150 A，最大共模瞬變抗擾度（CMTI）為<> kV/μs，具有快速故障管理功能（包括去飽和保護）。

與Stercom Power Solutions GmbH合作開發了用于SiC功率器件的柵極驅動器單元（GDU），展示了ADuM4136的功能（見圖1）。該板采用一個基于推挽式轉換器的雙極性隔離電源供電，該轉換器采用 LT3999 電源驅動器構建。這款單芯片、高電壓、高頻DC-DC轉換驅動器具有1 A雙開關，具有可編程電流限制、高達1 MHz的頻率同步、2.7 V至36 V的寬工作范圍和<1 μA關斷電流。

該解決方案在SiC金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）功率模塊（F23MR12W1M1_ B11）上進行了測試，漏極源極擊穿電壓為1200 V，典型通道電阻為22.5 mΩ，脈沖漏極電流能力為100 A，最大額定柵極源電壓為?10 V和+20 V。

本應用筆記評估了解決方案產生的死區時間，并研究了GDU引入的總傳播延遲。經過去飽和檢測測試，以保護 SiC 器件免受過載和短路情況的影響。

測試結果驗證了解決方案的快速響應。

圖1.普宙

測試設置

用于報告測試的完整設置如圖 2 所示。高壓直流輸入電源 （V1） 放置在電源模塊兩端。在輸入端增加一個1.2 mF去耦箔電容組（C1）。輸出級為38 μH電感（L1），可在去飽和保護測試期間連接到電源模塊的高端或低端。表1總結了測試設置電源組件。

圖2.測試設置原理圖

組件	價值
V1 版	0 V 至 1000 V
C1	1.2 毫頻
碳化硅功率模塊 （FF23MR12W1M1_B11）	1200 V， 23 mΩ
L1	38微小時

圖4所示的GDU接收來自脈沖波發生器的開關信號。這些信號被傳遞到一個集成的死區時間發生電路，該電路由 LT1720 超快速、雙通道比較器實現，其輸出饋給兩個 ADuM4136 器件。ADuM4136柵極驅動器向柵極端子提供隔離信號，并從功率模塊中兩個SiC MOSFET的漏極接收隔離信號。柵極驅動器的輸出級由推挽式轉換器提供隔離電源，該推挽式轉換器采用LT3999 DC-DC驅動器，由外部5 V直流電源供電。SiC模塊的溫度測量由高精度隔離放大器ADuM4190實現。ADuM4190由LT3080低壓差（LDO）線性穩壓器供電。

圖3顯示了實驗設置，表2描述了去飽和保護測試中使用的設備。

圖3.測試設備設置

設備	制造者	部件號
示波器	羅德與施瓦茨	HMO3004， 500兆赫
直流電源	科梅爾奇	QJE3005EIII
柵極驅動單元 （GDU）	斯特康	SC18025.1
脈沖波發生器	IB比爾曼	PMG02A
數字萬用表	僥幸	福祿克 175
高壓差分探頭	泰斯特克	TT-SI 9010
交流羅氏電流探頭	質子交換膜	嘉信力旅運迷你版

測試結果

死區時間和傳播延遲

GDU 引入硬件死區時間，以避免半橋功率模塊短路，當高端和低側 SiC MOSFET 導通或關斷時，可能會發生短路（參見圖 4）。請注意，延遲PWM_B信號在本文檔中表示為PWM_B_D。

圖4.普宙信號鏈

在傳播延遲測試中，死區時間是在底部驅動器的信號鏈上測量的，該信號鏈由GDU PWM_B信號的（低電平有效）輸入激勵。死區時間的產生是利用電阻電容器 （RC） 濾波器和 LT1720 超快速比較器來實現的。圖5至圖8顯示了傳播延遲測試的結果。有關圖3至圖5所示信號的說明，請參見表8。

象征	信號功能	通道號
VGS_B	場效應管門控	2
PWM_B_D	比較器后	3
PWM_B	對普宙的輸入	4

當PWM_B輸入信號被拉低時，比較器將其延遲PWM_B_D輸出狀態從高電平變為低電平，死區時間由RC電路決定（~160 ns，見圖5）。

圖5.死區時間測量，設備已打開

當SiC MOSFET關斷且PWM_B輸入信號被拉高時，與SiC MOSFET導通時測得的延遲時間相比，PWM_B_D延遲時間可以忽略不計（~20 ns），如圖6所示。

圖6.死區時間測量，設備關閉

PWM_B_D死區時間產生和VGS_B信號切換后的延遲時間（無論是開啟還是關閉）的測量方法如圖7和圖8所示。這些短延遲時間分別為66 ns和68 ns，是ADuM4136引入的延遲。

圖7.延遲時間測量，設備已打開

圖8.延遲時間測量，設備關閉

開啟時的總傳播延遲時間（死區時間加傳播延遲）為 ~226 ns，關斷時的總傳播延遲時間為 ~90 ns。表4總結了傳播延遲時間的結果。

事件	切換信號，高低	切換信號，低-高	死區時間（納秒）	驅動器延遲時間（納秒）	總傳播延遲時間（ns）
設備已打開	PWM_B， PWM_B_D	門信號	160	66	226
設備已關閉	門信號	PWM_B， PWM_B_D	22	68	90

去飽和保護

ADuM4136 IC集成了針對驅動開關高壓短路的去飽和保護功能。

在該應用中，每個柵極驅動器監控從漏極到源極端子的電壓（VDS），通過檢查其 DESAT 引腳 （V德衛星） 不超過基準去飽和電壓電平 VDESAT_REF，該電平在 8.66 V 和 9.57 V 之間變化 （VDESAT_REF = 典型值為 9.2 V）。此外，VDESAT的值取決于MOSFET操作和外部電路：兩個高壓保護二極管和一個齊納二極管（參見表6和原理圖部分）。

VDESAT的值可以用以下公式計算：

VDESAT= VZ + 2 × VDIODE_DROP + VDS

哪里：

VZ是齊納二極管擊穿電壓。

VDIODE_DROP是每個保護二極管的正向壓降。

在關斷期間，DESAT引腳在內部被拉低，并且沒有發生飽和事件。此外，MOSFET電壓，（V場效應管）為高電平，兩個二極管反向偏置，從而保護DESAT引腳。

導通期間，DESAT引腳在300 ns的內部消隱時間后釋放，兩個保護二極管正向偏置，齊納二極管擊穿。在這里，是否 V德衛星電壓高于VDESAT_REF值取決于V的值DS.

在正常操作下，VDS和 V德衛星電壓仍然很低。當高電流通過 MOSFET 時，VDS電壓升高并導致V德衛星電壓電平高于VDESAT_REF。

在這種情況下，ADuM4136柵極驅動器輸出引腳（V外）在200 ns期間驅動低電平，使MOSFET去飽和，并產生延遲為<2 μs的FAULT信號，以便柵極驅動器信號（VGS）立即鎖定。這些信號只能通過RESET引腳解鎖。

檢測電壓電平取決于V的值DS并且可以通過選擇合適的齊納二極管和擊穿電壓V來編程到任何電平Z.反過來，MOSFET電流（ID） 的去飽和度可以根據 V 估計DS如 MOSFET 制造商數據手冊中所述。

使用柵極脈沖對高端和低側MOSFET進行了兩次去飽和保護測試。在每次測試中，通過選擇不同的齊納二極管來測試不同的故障電流。表4總結了測試電流水平，假設最大VDESAT_REF = 9.57 V（最大值）和標稱VDIODE_DROP= 0.6 V.

低邊測試

低側去飽和保護測試是通過在1°C的室溫下將輸入電壓（V100）從800 V變化到25 V來進行的（見圖9）。

圖9.低邊去飽和保護測試

圖10至圖17顯示了低邊去飽和保護測試的結果。表5描述了圖10至圖17所示的信號。

通道號	信號名稱
1	故障
2	VDS
3	我D
4	VGS

圖 10.低邊測試，V1 = 100 V，無故障

圖 11.低邊測試，V1 = 200 V，無故障

圖 12.低邊測試，V1 = 300 V，無故障

圖 13.低邊測試，V1 = 400 V，無故障

圖 14.低邊測試，V1 = 500 V，無故障

圖 15.低邊測試，V1 = 600 V，無故障

在圖16和圖17中，在125°C時，~25 A電流觸發去飽和保護，故障狀態引腳在延遲約1.34 μs后觸發低電平。

圖 16.低邊測試，V1 = 800 V，檢測到故障

圖 17.低邊測試，V1 = 800 V，檢測到故障（放大）

對電源模塊的高端進行了類似的測試，在160°C時，當電流為~25 A時觸發去飽和保護，故障狀態引腳在1.32 μs后觸發低電平。

低邊和高邊測試的結果表明，柵極驅動解決方案可以在<2 μs的高速下報告電流水平接近編程水平的去飽和檢測（見表6）。

測試	齊納擊穿電壓，VZ（五）	檢測電壓電平，VDS（五）	檢測電流水平，ID在 25°C （A） 時	檢測電流水平，ID在 125°C （A） 時
低邊	5.1	3.27	116	95
高邊	4.3	4.07	140	110

圖表

圖18至圖20顯示了ADuM4136柵極驅動器板的原理圖。

圖 18.ADuM4136柵極驅動板原理圖（初級側）

圖 19.ADuM4136柵極驅動板原理圖（用于高端的隔離電源和柵極信號）

圖 20.ADuM4136柵極驅動板原理圖（用于低側的隔離電源和柵極信號）

結論

ADuM4136柵極驅動器具有短傳播延遲和通過去飽和保護快速過流故障報告的特點。這些優勢與適當的外部電路設計相結合，可以滿足利用最先進的寬帶器件（如SiC和GaN半導體）所能提供的功能的嚴格要求。

本應用筆記中的測試結果提供了全柵極驅動解決方案的數據，用于在高壓下驅動SiC MOSFET模塊，具有超快的響應速度，并通過去飽和保護進行充分的故障管理。該柵極驅動解決方案由一款采用 LT3999 構建的低噪聲、緊湊、電源轉換器供電，該轉換器可提供具有足夠電壓電平的隔離電源、低停機電流和軟啟動能力。

審核編輯：郭婷