利用AgileSwitch Augmented Switching 柵極驅動器 對62 mm SiC 功率模塊進行表征

開關SiC MOSFET功率模塊會產生兩個嚴重問題：關斷電壓過沖和振鈴。為了優化器件性能，必須要解決這兩個問題。我們需要在保持開關效率的同時控制這兩個寄生問題。Microchip 的AgileSwitch系列柵極驅動器已獲得專利，該系列產品通過在關斷期間將柵極電壓值和停留時間調整為一個或多個中間值來控制關斷 di/dt，從而解決了這些問題。這個過程通常稱為 Augmented TurnOff或ATOff。




圖 1： 傳統關斷與 Augmented Turn-Off?

Augmented Turn-Off 的優勢如下： 1. 減少開關損耗 2. 對導通 dv/dt 進行精細控制 3. 降低關斷過沖電壓 4. 穩健的短路保護和響應性能

主要內容

簡介

本報告概述了 62 mm SiC 半橋模塊的表征過程。我們 將 AgileSwitch 2ASC-12A1HP 柵極驅動器內核連接 至 AgileSwitch 62CA1 模塊適配器板，然后進行測試。


圖 2： 將已連接 62CA1 適配板的 2ASC12A1HP SiC 驅動器內核插入 62mm 模塊



圖 3： 雙脈沖設置圖示：（A）2ASC-12A1HP、 （B）62CA1 適配板、（C）FF6MR12KM1 模塊、 （D） VDS 探針和 I VGS 探針、（F）電流探針和 （G）電感

雙脈沖測試


硬件設置

將電感跨接在上橋臂MOSFET的兩端進行雙脈沖測試， 如圖 4 所示。在測試期間，上橋臂 MOSFET 保持在 -5V，而下橋臂 MOSFET 使用摘要中描述的配置進行開關操作。將羅氏線圈放在模塊引腳 2 上的源極回流總線 周圍，以測量電流。 測試條件為 600V、250A，以重現模塊數據手冊中列出 的工作條件。使用較小的柵極電阻，因為 2ASC12A1HP 可通過數字方式控制開關邊沿，所以如果使用 較大的電阻就會導致額外損耗，性能方面也沒有什么優勢。

軟件設置

雙脈沖配置

根據所選負載電感、直流鏈路電壓和所需最大漏極電流 來設置雙脈沖配置的時序。在 VDC = 600V 以及 LLOAD = 21.6 μH 的條件下，需要 9 μs 脈沖才能達到 250A。雙 脈沖波形的完整時序如圖 5 所示。第一個脈沖的導通時 間定義為時間 0。在 tOFF1 時進行關斷測量，在 tON2 時 進行導通測量。第一個脈沖的寬度（tOFF1 - tON1）設置 為能夠達到所需的電流；第二個脈沖的寬度 （tOFF2 - tON2）基本上無關緊要，只要其寬度足以使系統在導通 后趨于穩定，以便獲取正常的測量結果。



Augmented Switching 配置

為清晰起見，圖 5 中的開關曲線以簡化的方式顯示了在 VGS(ON) 和 VGS(OFF) 之間直接切換時的導通和關斷邊 沿。AgileSwitch 柵極驅動器使用 Augmented Switching 功能，通過精確的時序和電壓步長以數字方式控制這些 邊沿。針對這些測試，我們將驅動器編程為無任何中間 導通步驟（即導通波形直接從VGS(OFF)切換至VGS(ON)） 以及只有一個中間關斷步驟，如圖 6 中所示；該設置稱 為兩級關斷 （Two-Level Turn-Off， TLTO）。我們還測 試了多個 VTLTO 和 tTLTO 設置，以觀察模塊在各種開關 配置中的性能。

結果

導通 圖 7 顯示了示波器中的導通結果。電流峰值達到 323A， 然后穩定在其設定點 250A。


表 4 匯總了此測試的參數值；導通能量損耗為 1.67 mJ， 比數據手冊規范低 68%。



關斷

圖 8 和圖 9 顯示了兩種不同設置的關斷結果：一種設 置針對低開關損耗進行了優化，另一種設置則針對低過 沖電壓進行了優化。通常，中間步驟時間越長，器件關 斷速度就越慢，從而導致更高損耗，但可實現更低過 沖，如表 6 所示。


關斷期間實現的最低開關損耗為 1.37 mJ （過沖為 513V），最低過沖為 228V （損耗為 4.94 mJ）。

短路測試

硬件設置


短路測試的設置與雙脈沖測試類似，只是將電感換為小 電阻 （330 mΩ）。此外，為了與模塊數據手冊中的參 數相匹配，我們將直流鏈路電壓增加至 800V。




圖 10： 短路硬件設置

軟件設置

除了正常工作期間的兩級關斷（TLTO）外， 2ASC12A1HP 還具有檢測到去飽和 / 短路事件后執行多級關 斷 （Multilevel Turn-Off， MLTO）的功能。此功能與 TLTO 類似，但有一個額外的中間步驟。電壓值和這些 步驟的時序可在軟件中配置，所以我們測試了一些設置 組合，目的是確認哪種設置既可以提供足夠的關斷速 度，又能最大限度地降低過沖電壓。最終設置請參見 表 7。此外還可以配置去飽和跳脫值，可將其轉換為特 定的檢測時間。目前的設置是 1.5 μs，可在確保零誤報 的同時實現快速檢測。

注 2：關斷能量損耗規定為5.10 mJ（典型值）。

結果

圖 12 顯示了短路事件期間的三個關鍵波形：通道 4 （綠色）顯示，由于在上橋臂 MOSFET 兩端跨接 330 m? 電阻，電流迅速上升；通道 1 （黃色）顯示采用 多級關斷的柵極信號；通道 2 （品紅色）則顯示下橋臂 MOSFET 兩端的電壓。驅動器在 1.5 μs 后開始切斷柵 極信號，此時電流已升至 1.48 kA 峰值。由于關斷配置 受控， 800V 總線上的電壓過沖被限制為 280V。

總結

雙脈沖測試結果表明，62 mm SiC 模塊平臺是一個穩健 的模塊。考慮到封裝和假定的系統中存在電感，制造商 選用的柵極電阻 （Rg on/off = 3.9 ?）似乎是合理的。 數據手冊中的損耗似乎與其他制造商的同等產品一致。 結果表明， AgileSwitch 的 Augmented Switching 技術 具有以下性能優勢： 1. 可在開關損耗與 Vds 過沖之間調整平衡點 a) 針對最低開關損耗進行優化時，關斷損耗降 低 73% b) 針對最低 Vds 過沖進行優化時，關斷損耗降 低 3% 2. 穩健的短路保護 a) 總短路時間不到 2?s b) Vds 過沖和振鈴受控 總之，通過 Augmented Switching 技術，支持工程師可 對系統性能進行細致的調整。