用于SiC MOSFET的帶可配置浮動雙極性輔助電源的隔離柵極驅(qū)動IC

作為電子工程師，在功率電子設(shè)計中，碳化硅（SiC）MOSFET的應(yīng)用越來越廣泛。然而，要充分發(fā)揮其性能，合適的柵極驅(qū)動解決方案至關(guān)重要。今天，我們就來詳細(xì)探討一下KIT_1EDB_AUX_SiC，這是一款專門為SiC MOSFET設(shè)計的完整驅(qū)動解決方案。

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一、KIT_1EDB_AUX_SiC概述

KIT_1EDB_AUX_SiC包含一個隔離單通道柵極驅(qū)動IC（EiceDRIVER? 1EDB9275F）和一個由緊湊型雙通道非隔離柵極驅(qū)動IC（EiceDRIVER? 2EDN7533B）實現(xiàn)的浮動輔助電源。該電路板的引腳與EiceDRIVER? 1EDB9275F本身以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)150 mil DSO - 8封裝的等效驅(qū)動器兼容，是一種易于插拔的解決方案。它允許在已包含這些隔離柵極驅(qū)動器的設(shè)計中進(jìn)行測試，特別是在設(shè)計中原本使用自舉電路，但由于調(diào)制方案或拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化而無法使用的情況下。

二、驅(qū)動SiC MOSFET的要求

2.1 高RDS(on)對VGS的依賴性及精確正電源的需求

與標(biāo)準(zhǔn)硅（Si）MOSFET相比，SiC器件的驅(qū)動電壓要求更高，正柵源電壓通常從15V增加到20V（英飛凌CoolSiC?推薦18V）。而且，SiC器件的跨導(dǎo)gm呈現(xiàn)出很強(qiáng)的線性特性，小的VGS差異（如1或2V）可能會導(dǎo)致RDS(on)發(fā)生顯著變化。因此，考慮高精度的輔助電源至關(guān)重要。KIT_1EDB_AUX_SiC可以配置為典型的15V、18V或20V驅(qū)動，并且默認(rèn)提供1%精度的穩(wěn)壓正電源軌。例如，以±1%的精度在18V下驅(qū)動英飛凌CoolSiC? IMW65R027M1H，可確保在給定溫度下RDS(on)變化小于2%。

2.2 寄生再導(dǎo)通及負(fù)VGS電壓的需求

在半橋配置中，當(dāng)?shù)蛡?cè)或高側(cè)MOSFET進(jìn)行硬開關(guān)導(dǎo)通時，開關(guān)節(jié)點的高dV/dt會感應(yīng)出米勒電流。該電流流經(jīng)互補(bǔ)器件的CGS和CGD柵極電容，拉高其柵源電壓。為避免額外損耗或嚴(yán)重的再導(dǎo)通，該感應(yīng)電壓必須保持在V(GS)th柵極閾值電壓以下。英飛凌的CoolSiC?具有良好的再導(dǎo)通抗擾性和相對較高的柵極閾值（最小3.5V），通常單極18V驅(qū)動就足夠了。但為了獲得更多安全裕度，可以考慮使用雙極性電源，負(fù)電壓低至 - 1.5V。KIT_1EDB_AUX_SiC默認(rèn)配置允許進(jìn)行雙極性驅(qū)動，提供18V的穩(wěn)壓正電源軌和10mA下的 - 1V非穩(wěn)壓電源軌。

三、電路板描述

3.1 原理圖及總體描述

電路板包含EiceDRIVER? 1EDB9275F，這是一款單通道隔離柵極驅(qū)動IC，采用英飛凌的無芯變壓器（CT）技術(shù)，實現(xiàn)了3 kVRMS的輸入 - 輸出隔離。該驅(qū)動器針對驅(qū)動高端SiC器件進(jìn)行了優(yōu)化，可與EiceDRIVER? 1EDN9550B配合用于低端驅(qū)動。

原理圖頂部的電路是輔助電源，作為隔離式DC - DC轉(zhuǎn)換器工作，為EiceDRIVER? 1EDB9275F的次級側(cè)提供浮動電源VDDf至Vssf。電路板默認(rèn)使用單電源電壓（VCCI），同時為EiceDRIVER? 1EDB9275F的初級側(cè)和隔離式DC - DC轉(zhuǎn)換器供電；也可以通過斷開跳線J1并短接跳線J2，使用不同的電壓（VCC11和VCC12）。

3.2 輔助環(huán)形振蕩器概念

輔助電源基于EiceDRIVER? 2EDN7533B，這是一款雙通道非隔離柵極驅(qū)動IC。其一個輸出（OUTA）反饋到輸入，形成“環(huán)形振蕩器”。當(dāng)電源VCCI低于EiceDRIVER? 2EDN7533B的欠壓鎖定（UVLO）電平（4V）時，兩個輸出均被驅(qū)動器主動拉低；當(dāng)電源達(dá)到UVLO時，驅(qū)動器喚醒，OUTA變高，OUTB保持低電平，同時開始通過電阻反饋路徑對C1充電；當(dāng)INA達(dá)到驅(qū)動器輸入高閾值（VINH = 2.1V）時，OUTA變低，OUTB變高；當(dāng)INA達(dá)到驅(qū)動器低輸入閾值（VINHL = 1.2V）時，一切反轉(zhuǎn)，振蕩建立。

3.3 雙極性Vpos/Vneg的尺寸設(shè)計

需要注意的是，不要將Conf. B、C或D用于英飛凌CoolSiC? MOSFET，因為電壓額定值不允許（靜態(tài)VGS低于 - 2V）。當(dāng)使用高于10V的VCCI電源電壓時，應(yīng)使用具有更高輸出電壓能力的不同柵極驅(qū)動器，如EiceDRIVER? 1ED3124MU12F。

3.4 使用案例示例及安裝

該電路板旨在替換主板上的單通道隔離柵極驅(qū)動IC。KIT_1EDB_AUX_SiC厚度為2.8mm，可以直接焊接到8引腳DSO 150 mil封裝的焊盤中，與主板的連接盡可能短，這對于連接?xùn)艠O電阻以最小化朝向SiC MOSFET的柵極回路非常重要。也可以使用間距為1.27mm的合適連接器。與標(biāo)準(zhǔn)150 mil DSO - 8封裝相比，主板上的輸出接地引腳（GNDO）被輔助電源的中點取代，從而可以進(jìn)行雙極性電源測試。

四、實驗結(jié)果

4.1 輸出調(diào)節(jié)

4.1.1 帶負(fù)載的輸出調(diào)節(jié)

默認(rèn)情況下，只有正電源軌被穩(wěn)壓，負(fù)電源軌則隨輔助負(fù)載變化，輔助負(fù)載取決于開關(guān)頻率和所選的SiC MOSFET。圖10顯示了不同負(fù)載下輔助輸出電壓Vpos和Vneg的行為。對于Conf. A，在輸出電流約為35mA時，1%的正電源軌穩(wěn)壓會失效，因為負(fù)電壓變得非常低，無法保證TL432的最小0.7mA極化電流。35mA的負(fù)載電流涵蓋了該電路板的大多數(shù)潛在用例，但如果需要更高的電流，可以進(jìn)一步減小R7。

4.1.2 輸入電源電壓VCCI不準(zhǔn)確時的輸出調(diào)節(jié)

輔助DC - DC轉(zhuǎn)換器的輸入電源會有一定的不準(zhǔn)確性，在考慮電壓調(diào)節(jié)時需要考慮這一點。圖12 - 15顯示了不同配置在典型5%精度下的輸出調(diào)節(jié)情況。建議為Conf. A提供至少2%精度的VCCI電源，在重載情況下，Conf. D也可以采用。

4.2 效率

圖16和圖17分別顯示了不同配置下效率與輸出功率、輸入電流和輸出電流的關(guān)系。效率測量是在沒有EiceDRIVER? 1EDB9275F的輔助電路上進(jìn)行的，使用簡單電阻作為負(fù)載。

4.3 工作波形

輔助電源的工作波形如圖19和圖20所示。開關(guān)頻率的選擇要在滿足XT04變壓器6V/μs飽和極限的同時提供最高效率。變壓器上信號的占空比在標(biāo)稱10V VCCI時設(shè)置為接近50%，在12V VCCI時略小。

4.4 啟動行為

圖21和圖22顯示了輔助電源在高負(fù)載條件下的快速和慢速啟動情況。啟動時需要檢查三個方面：一是驅(qū)動器能否處理反向電流應(yīng)力；二是變壓器是否因低頻操作而飽和；三是產(chǎn)生的正負(fù)極電源軌電壓是否有對驅(qū)動的SiC MOSFET不關(guān)鍵的過沖或下沖。在該設(shè)計中，由于EiceDRIVER? 2EDN7533B具有較高的反向電流魯棒性，不需要限流電阻（R3）。

4.5 關(guān)機(jī)行為

圖25和圖26顯示了輔助電源在不同關(guān)機(jī)場景下的情況，包括通過直流電源發(fā)生器關(guān)閉輸入電壓和斷開輸入電壓以模擬“突然開路”。不同配置下關(guān)機(jī)時沒有出現(xiàn)關(guān)鍵的過沖或下沖。

4.6 輸出短路

圖28 - 30顯示了輔助電源輸出（Vtot、Vpos和Vneg）短路時的情況。輔助電路在三種應(yīng)力條件下都能幸存，主變壓器不會長時間飽和，IC也不會失效。由于EiceDRIVER? 2EDN7533B具有較高的反向電流魯棒性，不需要限流電阻（R3）。

五、布局

電路板的布局如圖31所示，包括頂層、中間層1、中間層2和底層。表中給出了各層的詳細(xì)信息，如材料、類型、重量、厚度、介電常數(shù)（Dk）和損耗因子（Df）等。

六、附錄A

6.1 不需要1%穩(wěn)壓時的電路板功能

如果不需要正電源軌的1%穩(wěn)壓，并且所需的Vpos和Vneg不太不平衡（Vpos / 2VCCI小于80%作為經(jīng)驗法則），可以通過調(diào)整OUTA - OUTB信號的占空比來實現(xiàn)雙極性Vpos / Vneg的分割。此時，應(yīng)移除TL432穩(wěn)壓器（U3）及其周圍電阻（R5、R6和R7），并短接R8。

6.1.1 環(huán)形振蕩器R1、R2和C1的尺寸設(shè)計

可以通過對INA的充電和放電階段進(jìn)行操作來調(diào)整OUTA - OUTB信號的占空比和頻率。具體的尺寸設(shè)計步驟包括計算占空比、最小開關(guān)周期、固定C1的值、計算Rp = R1 // R2、計算R2，并確保所選值滿足相關(guān)方程。

KIT_1EDB_AUX_SiC為SiC MOSFET的驅(qū)動提供了一種靈活、高效的解決方案。通過合理的設(shè)計和配置，可以滿足不同應(yīng)用場景下對SiC MOSFET驅(qū)動的需求。各位工程師在實際設(shè)計中，不妨根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇和優(yōu)化。你在SiC MOSFET驅(qū)動設(shè)計中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)交流討論。