在最近舉行的PCIM Europe 2024會議上，介紹了一種通過在高壓門驅動器中實施參數(shù)識別(PI)模式來優(yōu)化功率模塊性能的新方法。將參數(shù)識別功能集成到門驅動器中的結果顯示，在能源效率和系統(tǒng)穩(wěn)健性方面具有顯著的好處。

高壓門驅動器的考慮因素

碳化硅(SiC)功率模塊為高壓應用提供了一個引人注目的替代傳統(tǒng)硅(Si)設備的選擇。由于其高擊穿電壓和在高開關頻率下運行的能力，SiC材料大幅提高了功率密度。這一改善不僅增強了功率電子系統(tǒng)的整體效率，還通過減少設計的復雜性來簡化其設計。

門驅動對于提升功率器件的高速開關能力至關重要。在當前的功率電子系統(tǒng)中，多個功率晶體管通常并聯(lián)連接，導致負載不平衡問題。恒流源門驅動器(CSGD)提供了在每個功率晶體管的開關事件的不同階段修改門電流的靈活性。這一能力在功率晶體管老化并經(jīng)歷電氣特性和開關行為變化時，尤其優(yōu)于電壓源門驅動器(VSGD)。

與傳統(tǒng)設備不同，博世開發(fā)的門驅動測試芯片可以在換向過程中調整其驅動強度，受三個可編程時間間隔和門電流水平的指導。此特性使電路能夠獨立微調電流和電壓換向的開關速度。

門充電

如圖1所示，MOSFET的開關過程可以分為四個階段。從時間t0到t1，門驅動電路充滿了門源(CGS)和門漏(CGD)電容，直到門電壓達到閾值電壓(Vth)。在t1到t2之間，門源電壓(VGS)超過Vth，開始引導漏電流流動，最終成為主電流，同時繼續(xù)充電CGS和CGD。門電壓的上升促進了漏電流的增加，直到在t2時門電壓與米勒電壓VGS(pl)一致。

在t2到t3之間，由于米勒效應，門電壓穩(wěn)定在VGS(pl)，保持穩(wěn)定狀態(tài)。在此階段，主門電流通過MOSFET流動，并且漏電壓達到其開啟閾值。在此時間段內，恒定的門電壓將驅動電流引導至CGD而非CGS。在此時間段內，CGD中收集的電荷(QGD)等于通向門電路的電流與電壓降持續(xù)時間(t3-t2)的乘積。

最后，從t3到t4，門電壓被驅動到超飽和狀態(tài)，充電CGS和CGD，直到VGS與門供電電壓匹配。由于開啟瞬態(tài)已完成，因此在此最后階段MOSFET未經(jīng)歷任何開關損耗。

參數(shù)識別(PI)模式

在博世最新開發(fā)的CSGD集成電路中，PI作為專用操作模式(“PI模式”)得到了實施。該模式使集成電路能夠評估影響開關過程的功率半導體的各種參數(shù)值，旨在單獨分析每個門通道，從而精確確定每個功率半導體芯片的特性。

PI模式的激活通過低電壓(LV)通信接口發(fā)送指令啟動，將ASIC狀態(tài)設置為特定的PI狀態(tài)。一旦激活，PI過程利用可配置的恒定門電流源進行測量，包括設置ADC偏移的選項。該偏移決定了ADC將采樣的門電壓電壓范圍，確保超出該范圍的值不被納入測量。這種靈活性使PI可以在單個門輸出或多個輸出的組合上進行，具體取決于分析的要求。

PI過程的結果被捕獲并傳輸?shù)?a target="_blank">MCU，進一步的數(shù)據(jù)處理提取必要的參數(shù)。準確識別這些參數(shù)的能力對于優(yōu)化系統(tǒng)中功率半導體的性能至關重要，確保門驅動的高效和可靠運行。

需要注意的是，一些市售的VSGD設備具有門閾值監(jiān)控功能，旨在評估功率晶體管在啟動階段的門開啟電壓。該過程通過恒定電流源啟動功率晶體管的門電容充電，導致門電壓穩(wěn)步上升。當晶體管開始導通時，其門電壓穩(wěn)定在閾值水平。經(jīng)過預定的消隱期后，內置電壓傳感器取樣穩(wěn)定的門電壓并將該數(shù)據(jù)記錄在寄存器中。所記錄的測量值代表實際門電壓的縮放值。

雖然這個概念可以用于識別門開啟電壓的變化或公差，但VSGD設備中實施的方法無法確定通過開關事件單個段所需的門電荷變化。此外，米勒平臺區(qū)域的變化也無法識別。這個概念可能能夠識別功率晶體管開啟電壓的顯著變化或漂移，但其輸出可能不夠準確，無法有效地調整門驅動強度或門驅動電流曲線。

通過參數(shù)識別(PI)進行優(yōu)化

PI的一個主要用途是為CSGD門驅動器調節(jié)電流曲線。通過準確識別門電荷特性(QGS、QGD、QON)，可以定制門驅動信號，以最小化開關損耗，減少電磁干擾(EMI)，并優(yōu)化開關速度，從而直接促進系統(tǒng)的效率和耐用性。

在VSGD門驅動器中，PI輸出可以指導門驅動強度的選擇，使其更適應嵌入式系統(tǒng)中的實際條件，而非設計階段的條件。

PI還通過預測功率器件在各種工作條件下的熱行為，特別是在開啟事件期間，幫助進行熱管理。這些信息可以優(yōu)化熱管理策略，平衡不同并聯(lián)開關晶體管之間的負載，并減少過熱風險，從而提高系統(tǒng)的可靠性和壽命。

此外，通過PI獲得的參數(shù)可以監(jiān)測功率器件的磨損或故障，從而實現(xiàn)預測性維護，延長系統(tǒng)壽命。對于先進的功率電子系統(tǒng)，PI數(shù)據(jù)可用于實現(xiàn)自適應控制算法，根據(jù)識別的參數(shù)實時調整系統(tǒng)運行。

數(shù)據(jù)采集

PI方法預見了一個數(shù)據(jù)采集模式，隨后是評估階段。在數(shù)據(jù)采集模式下，系統(tǒng)捕獲原始數(shù)據(jù)或參數(shù)，然后根據(jù)以下關鍵階段進行分析：

初始化：此階段的適當配置對于確保系統(tǒng)準確調諧以捕獲所需數(shù)據(jù)至關重要。

數(shù)據(jù)采集：數(shù)據(jù)收集始于開始命令，基于預定義的觸發(fā)器或條件捕獲初始數(shù)據(jù)點集(“第一段”)。隨后的步驟(“第二段”)在擴展條件下繼續(xù)數(shù)據(jù)收集，以獲取更全面的數(shù)據(jù)集。

數(shù)據(jù)傳輸：此階段涉及將收集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚砘虼鎯卧３謹?shù)據(jù)的完整性和可用性，以便于進一步分析或決策過程。MCU對原始數(shù)據(jù)進行處理，推導出關鍵參數(shù)，確保通過ASIC的PI模式對功率模塊功能進行全面評估。

PI模式評估

PI模式評估檢查的參數(shù)包括環(huán)境溫度變化、不同的漏源電壓VDS水平、PI充電電流配置以及不同恒定阻性負載引起的漏電流變化。

在針對汽車牽引逆變器應用的功率模塊上進行的測量顯示，門電流的增加導致門源電壓曲線的開啟階段更快完成。

結果表明，漏源電壓的上升導致米勒平臺區(qū)域延長，而恒定漏電流的變化引起米勒平臺的垂直漂移。晶體管溫度的上升則導致米勒平臺電壓水平降低。

在不同環(huán)境條件下對同一功率模塊進行PI時測得的電荷值列在下表中。這些數(shù)據(jù)可以通過MCU算法進行處理，以檢測相關趨勢和操作條件。

結論

在門驅動器集成電路中實施PI模式，代表了半導體測試和評估在實際牽引逆變器應用中的重大進展。PI模式為理解和提升功率模塊性能提供了多功能的基礎，能夠分析和識別功率模塊特性在產(chǎn)品使用生命周期中的趨勢或變化。

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