现代IGBT/MOSFET栅极驱动器供给阻隔功用的最大功率约束

　　Maximum power limit for withstanding insulation capabilities of modern IGBT/MOSFETgate drivers

       作者/Bernhard Strzalkowski博士 ADI公司（德国 慕尼黑）

　　摘要：经过成心损坏IGBT/MOSFET功率开关来研讨栅极驱动器阻隔栅的耐受性能。

　　关键词：IGBT; MOSFET; 栅极驱动器；耐受性；阻隔

      在高度牢靠、高功用的运用中，如电动/混合动力轿车，阻隔栅级驱动器需求保证阻隔栅在所有状况下完好无缺。跟着Si-MOSFET/IGBT不断改进，以及对GaN和SiC工艺技能的引入，现代功率转换器/逆变器的功率密度不断提高。因而，需求高度集成、经用的新式阻隔式栅极驱动器。这些驱动器的电阻隔设备体积细巧，可集成到驱动器芯片上。这种电阻隔能够经过集成高压微变压器或电容器来完结^[1-3]。一次意外的体系毛病均可导致功率开关乃至整个功率逆变器损坏和爆破。因而，需求针对高功率密度逆变器研讨怎么安全施行栅级驱动器的阻隔功用。有必要测验和验证最坏状况下（功率开关被损坏）阻隔栅的牢靠性。

　　0 导言

      在最坏的状况下，即高功率MOSFET/IGBT发生毛病时，逆变器几千µF的电容组会快速放电。开释的电流会导致MOSFET/IGBT损坏、封装爆破、等离子体排出到环境中^[4]。 一部分进入栅级驱动电路的电流会导致电气过载^[5]。因为功率密度极高，所以在制作驱动器芯片时，需求保证即便芯片自身呈现毛病，依然能够坚持电阻隔。

　　1 高度集成的现代栅级驱动器的构建

       芯片级阻隔选用平面微变压器方法来供给电阻隔。它选用晶圆级技能制作 ，装备为半导体器材巨细^[1]。iCoupler®通道内含两个集成电路(IC)和多个芯片级变压器（图1）。阻隔层供给阻隔栅，将每个变压器的顶部和底部线圈离隔（图2）。数字阻隔器选用厚度至少为20 μm的聚酰亚胺绝缘层，在晶圆制作工艺中放置在平面变压器线圈之间。这种制作工艺以低成本将阻隔元件与任何晶圆半导体工艺集成，完结超卓的质量和牢靠性。图2的剖面图显现了被较厚的聚酰亚胺层离隔的顶部和底部线圈的匝数。

　　封装内的分接引线框架完结阻隔。当栅级驱动器输出芯片因功率开关爆破损坏时，内部芯片分区和装备有必要保证阻隔层完好无缺。为保证栅级驱动器不受损坏，采取了以下几种维护措施：

      • 合理设置外部电路的尺度，约束流向 栅级驱动器芯片的电流；

      • 在驱动器芯片上合理装备输出晶体管；

      • 在芯片上合理装备微变压器；

      • 合理安排操控封装内的驱动器芯片。

　　ADuM3223 栅级驱动器的内部芯片装备（图1）

　　展现了一种芯片装备示例，它能够在极点电气过载时防止发生电阻隔毛病。

　　2 仿真最糟糕的逆变器毛病状况的损坏性实验

       构建一个385 V和750 V两级电压的测验电路，用来模仿实在的功率逆变器景象。在选用110 V/230 Vac电网，需求施行功率要素校对的体系中，385 V电压电平极为常见。在运用额外击穿电压为1200 V的开关的驱动运用中，关于所运用的高功率逆变器而言，750 V电压电平极为常见。

　　在损坏性实验中，会接通由功率开关和恰当的驱动器组成的逆变器桥臂，直到开关呈现毛病。损坏过程中的波形会被记录下来，以确认流入栅级驱动器芯片的电平。实验研讨了几种维护措施，以便约束流入栅级驱动器电路的击穿电流。损坏性实验顶用到了多种IGBT和MOSFET。

　　3 操控MOSFET/IGBT损坏程度的测验电路

       为了施行IGBT/MOSFET驱动器电气过载测验（EOS测验），构建了一个十分挨近实在状况的电路。该电路中包含适用于5kW至20 kW功率规模逆变器的电容和电阻。轴向型栅极电阻Rg选用2 W额外功率的金属电阻。为了防止电流从高压电路反向进入外部电源，选用了一个阻流二极管D1。这也反映了实在状况，因为起浮电源包含至少一个整流器（即自举电路）。高压电源(HV)经过包含充电电阻Rch和开关S1的电路为电解电容块充电。

　　施行EOS测验时，选用500 µs敞开信号来操控输入V_IA或V_IB。敞开信号经过微阻隔进行传输，会形成短路，并损毁功率晶体管T1。在某些状况下，会呈现晶体管封装爆破。

　　共选用四种功率开关（两级电压）来仿真逆变器的损坏状况。针对特定开关类型施行的初次测验先后在不选用和选用功率约束电路的状况下进行。为了约束损坏阶段流入驱动器电路的电流，有些测验直接在驱动器输出引脚处装备了齐纳二极管Dz（BZ16，1.3W）。此外，还研讨了各种不同的栅级电阻值。

　　4 无功率约束栅级驱动电路直接受损测验电路

       还进行了另一项仿真最坏状况的实验，其间栅级驱动器的输入和输出芯片直接接受击穿电流(destructive energy)。在这次损坏性实验中，将充满电的大容量电容直接连接到栅级驱动器的输出引脚（图4）。该实验展现了或许呈现的最严峻的过载景象，然后查验其阻隔功用耐受性。电流直接流入驱动电路，而栅级电阻是仅有的功率约束设备。继电器S2将高压耦合到栅级驱动器输出电路。

　　图5所示为最坏状况测验，其间没有选用任何器材约束流入输入和输出芯片的电流。将750 V高压经过开关S1直接施加于输出芯片，即在没有限流栅级电阻的状况下，将中高压750 V直接施加于驱动器芯片会呈现的最坏状况。

　　另一种或许的最坏状况是对驱动器的主侧操控芯片施加过高的电源电压。引荐运用的最大输入电源电压为5.5 V。假如发生输入电压的DC-DC转换器失掉调理才能，其输出电压就会增大。失掉调理效果时，转换器的输出电压能够增大到一流DC-DC转换器的2到3倍。AD_uM4223输入芯片接受的功率有限，电阻、功率开关、电感等其他设备都和平常相同在其各自的方位。这些器材会阻止电流流入操控芯片。为了实在模仿DC-DC转换器毛病，挑选选用15 V、1.5 A限流值的电源电压。

　　5 实验成果

      表1给出了运用图3、图4和图5中的电路施行过载测验的成果。为了确认维护电路的效果，针对每个MOSFET/IGBT 功率开关类型施行了两次测验。在9、10和11的最坏状况测验中，运用了机械开关S1和S2。

　　一般状况下，齐纳二极管能够协助维护驱动电路，如表所示（比照实验1和实验2）。可是当栅极电阻的值过小时，虽然选用了齐纳二极管，驱动器依然会损坏（比照实验3和实验4）。

　　经过比照实验2和实验3，以及实验3和实验4，能够估算出危害驱动器的电流。经过实验5和6能够得出一个十分风趣的定论：与功率等级相同的IGBT比较，超结MOSFET好像能显着下降流入栅极驱动器的功率水平。实验9、10和11（未约束流入操控和驱动器芯片的电流）的意图是研讨最坏状况下的阻隔栅耐受性。

　　6 MOSFET和IGBT的不同损坏体现

       损坏性实验展现了功率开关受损时的各种波形。图6所示的是超结MOSFET的波形。接通电路和芯片损坏之间的时刻距离大约是100 µs。只要十分有限的电流流入驱动器芯片，需接受过载状况。在相同的实验条件下，规范MOSFET发生的栅极电流和过压显着更高，导致驱动器损坏，如图7所示。

　　7 芯片损坏剖析

       部分栅级驱动器封装针对不同开关和不同测验条件，其芯片损坏状况类似。图8所示为实验8中根据P-MOSFET输出驱动级的损害状况（表1）。在体电压为750 V时实验导致IGBT爆破，以及限流器材Rg和Dz损坏；可是，只能看见引脚V DDA 的线焊方位邻近小规模熔化。在损坏阶段，栅级过电流经过内置的P-MOSFET二极管流入 100 µF 电容。因为过电流，线焊邻近区域熔化。驱动器芯片没有进一步损坏，操控芯片也没有呈现进一步的阻隔损坏。图9所示为实验9过程中的熔融区域，其间直接将150 V高压施加于驱动器芯片。操控芯片的电阻隔经过了本次极点过载实验。

　　主侧最坏的状况展现的是对操控芯片施加超高电源电压的状况。因而，在实验11中，对V_DD1引脚施加了15 V电源电压（图5），这显着超过了7.0 V肯定最大额外值。图11中的相片显现了V_DD1引脚邻近芯片有部分烧坏。

　　8 定论

      针对功率开关的损坏性实验不会影响集成式栅级驱动器ADuM4223/ADuM3223的阻隔栅耐受性。即便驱动器因为过多的电流流入输出芯片而损坏，图11 输入操控芯片相片（展现了实验11期间的损坏方位。施加于电路中的电流在V DD1 引脚周围形成了小规模损坏。未发现阻隔栅受损。）也仅仅部分小规模烧坏。剩余的电流经过P-MOS驱动晶体管流入隔直电容。因而，只要P-MOS区域呈现熔化。

　　AD_uM4223/AD_uM3223的芯片装备不允许熔融区分散到操控芯片，其间包含电气阻隔信号变压器。为了约束流入驱动器输出的电流，能够运用齐纳二极管。齐纳二极管与恰当的栅极电阻结合运用，在功率开关损坏时能够起到维护栅极驱动器的效果。能够规划运用栅极电阻来办理正常作业期间的功耗，并在功率开关损坏时将驱动器与其阻离隔来。当芯片上直接施加高压时，栅级电阻起保险丝的效果。电阻会操控芯片损坏程度，将其操控在输出功率开关周围的小规模内。

　　在最坏的状况下，对输出芯片施加高功率时，驱动器输出引脚邻近会呈现小规模损坏。这个实验不会影响阻隔的耐受功用。主侧在最坏状况下，当电源电压显着高于肯定最大额外值时，电源电压引脚周围会呈现小规模损坏。在所有电气过载实验中，都未呈现阻隔功用削弱的痕迹。随后施行的高压阻隔实验验证了电微阻隔的耐受功用。恰当的芯片结构以及驱动器封装内部的芯片装备，能够防止击穿电压分散到微变压器的高压阻隔层。

　　参考文献

      [1]Chen B,Strzalkowski B.选用微变压器的阻隔式栅级驱动器.ECPE workshop “ElectronicaAround the Power Switches.”[C].2011年6月29日.

　　[2]Volke A,Hornkamp M,Strzalkowski B.根据无芯变压器驱动器IC 2ED020I12-F的IGBT/MOSFET运用.Proceedings of PCIM 2004[C],纽伦堡,2004.

　　[3]Texas Instruments.SLLA198. “The ISO72x Family of High Speed Digital Isolator.”

　　[4]Strzalkowski B.选用微变压器技能的高功用IGBT驱动器供给超卓的阻隔功用.Proceedings ofPCIM2007[C],纽伦堡,2007.

　　[5]Strzalkowski B.IGBT/MOSFET栅极驱动器供给阻隔功用的最大功率约束.Proceedings of PCIM2014[C],2014.

　　作者简介：

       Bernhard Strzalkowski，博士，从1989年到1996年，他作为施塔恩贝格的磁电机研制工程师，担任开发用于风力转换器和电动/混合轿车的电力电子器材，从1997年到2008年，他参加了坐落慕尼黑的Siemens/Infineon公司，其研讨和规划作业包含用于工业/轿车运用的集成电路，他于2009年2月参加坐落德国慕尼黑的ADI公司，担任电源办理、 数字电源和iCoupler数字电源和iCoupler运用。他为欧洲轿车/通讯基础设施客户供给支撑，已获多项与电力电子范畴有关的专利。他是ICE和VDE规范委员会以及PCIM咨询委员会的成员。

       本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第5期第31页，欢迎您写论文时引证，并注明出处