如何使用高压隔离驱动器

出处:维库电子市场网时间:2024-10-18
  共模瞬态抗扰度
  工业应用中的快速功率开关可以提供高于 50 V/ns 的压摆率。这是减少动态损耗并实现更高系统效率的理想功能。不过,快速瞬变可能会在相关栅极驱动器中产生干扰。在高压侧驱动器中,次级侧的快速瞬态可能会在初级接地中产生振荡。在坏的情况下,这可能会导致输入信号出现故障,从而导致 SiC MOSFET 意外导通。
  图 1 显示了 STGAP2S 器件在直流电压 Vdc=1500 V 的非常快的瞬态(正瞬态和负瞬态)期间的实验结果。波形表明,即使压摆率约为 120 至 130 V/ns,栅极驱动器能够正确操作并保持所需的输出状态。
  通过米勒电容耦合
  漏极至源极电压中的高转换速率瞬态也会通过米勒电容 (MC)(即 MOSFET 漏极和栅极之间的寄生电容)引起栅极振荡。为了限度地减少这种影响,STGAP2S 的变体之一 STGAP25CM 提供了有源米勒钳位 (AMC),请参见图 2。
  零件编号# 频道包裹隔离欠压闭锁输出配置
  STGAP2SM单身的SO-8N1.7kV9.1V分开开/关
  STGAP2单片机单身的SO-8N1.7kV9.1V米勒钳
  STGAP2D双重的SO-16N1.7kV9.1V单路输出
  STGAP2HSM单身的SO-8W6kV9.1V分开开/关
  STGAP2HSCM单身的SO-8W6kV9.1V米勒钳
  STGAP2碳化硅单身的SO-8W6kV15.5V分开开/关
  STGAP2SiCSC单身的SO-8W6kV15.5V米勒钳
  表 1:STGAP2 技术的产品组合
   称为开启阈值的典型值,如数据表中所述。
  图 1:在 STGAP2S 中测得的正瞬态和负瞬态,VDC=1500V。
  在需要快速硬开关瞬态的应用中,推荐使用 AMC 功能与 SiC MOSFET 一起使用。图 3 描绘了使用 SCTW35N120G2V(STMicroElectronics 的 650V 额定电压 SiC MOSFET)的半桥逆变器的理想化波形 [6]。由于假设输出电流为正,因此低侧开关 (S2) 在续流时间内开启。 S2 关断后经过短暂的死区时间后,高侧开关 S1 导通。当这种情况发生时,S1 的 VDS 变为零,导致 S2 的 VDS 增加。两种瞬变具有相同的转换速率。处于截止电压的S2的栅极电压VGS现在通过米勒电容的耦合而被上拉。同理,当S1关断时,VGS被拉低。对称地,当输出电流为负时,S1 中预计会出现相同类型的振荡。
   图 2:STGAP2S 的可用选项。
 

  图 3:采用 SIC MOSFET 的半桥逆变器以及 VDS 和 VGS 的理想波形。

  图 4:半桥逆变器中的 VGS 波形,使用 STGAP2S 的两种变体。

  表 2:采用 SO-8W 封装的 STGAP2H 器件的电压特性。
  关闭状态期间 VGS 的正向和负向振荡都会对器件和系统产生负面影响。正振荡可能会导致 MOSFET 寄生导通,进而导致整个半桥发生击穿。另一方面,负振荡可能会使 VGS 超出安全操作区域 (SOA),并触发设备中的退化机制。
  从图 4 中的波形可以看出,ACM 能够在关闭状态期间将 VGS 的正负尖峰降低至安全值。如图所示,当由 STGAP2SM 驱动时,SiC MOSFET 的 VGS 可以实现正值,但会带来寄生导通的风险。对于 STGAP2SCM,相同的配置呈现出低得多的尖峰,永远不会达到正值。
  同理,图4右侧的负向振荡也减少了。 STGAP2SM 的配置呈现低于栅极电压的负峰值,对于 SCTW35N65G2V,该电压为 VGS,min=-10V。使用 STGAP2SCM,负尖峰永远不会达到 VGS,min。
  隔离电压
  SO-8W 封装内的栅极驱动器(请参阅表 1)具有 6 kV 的隔离度。根据 UL1577,该电压与生产过程中的测试电压相关。表 2 显示了采用 SO-8W 封装的 STGAP2H 系列电压特性的更多详细信息。
  欠压锁定 (UVLO)
  欠压锁定 (UVLO) 是一种保护功能,存在于所有 STGAP2 器件中。它可以防止电源开关被低于其要求的电压驱动。当次级侧的电源电压(即 VH 和 GNDISO 引脚之间的电压)降至某个值以下时,UVLO 保护被激活。
  IGBT 和超级结 MOSFET 的工作栅极电压在 +12 V 至 +15 V 之间。低于此范围,MOSFET 的导通电阻(或 IGBT 的饱和电压)开始增加,随之而来的是开关。该开关还可能开始以线性模式运行,导致热失控和设备故障。同样的情况也可能发生在 SiC MOSFET 中。然而,由于栅极上需要更高的电压(从 +18V 到 +20V),UVLO 激活的值需要相应增加。
  图 5 显示了 STW90N65G2V [5] 的输出特性。图中的 VI 曲线是在室温下针对不同栅源电压 VGS 值获得的。图表下方的值是在漏极电流为 40 A 时计算出的电流传导功耗。当 VGS = 18 V(该器件的标称值)时,产生的功耗约为 28 W。
   图 5 – SCTW90N65G2V SiC MOSFET 的输出特性,以及计算的不同栅源电压下的传导损耗。
  如果栅极驱动器的电源电压下降,也会影响 VGS。在图表中,我们有 VGS = 12 V 的示例,这已经使传导损耗几乎增加了一倍。进一步降低将导致 MOSFET 以线性模式运行。极高的相关损耗可能导致 MOSFET 因过热而失效。
  为了避免这种情况,STGAP2SiCS [5] 器件的 UVLO 已增加至 15.5 V。即使对 MOSFET 应用双极驱动,这也能保证适当的保护。例如,如果向 MOSFET 施加 -3V 的负关断电压,这将使有效激活电压降至 +12.5V,对于 SiC MOSFET 来说仍然足够安全。
上一篇:降压稳压器解决电流环路中发送器电路的功率需求
下一篇:电动机电源电路故障排除

免责声明: 凡注明来源本网的所有作品,均为本网合法拥有版权或有权使用的作品,欢迎转载,注明出处。非本网作品均来自互联网,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。

相关电路图