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    當SiC MOSFET遇上2L-SRC

    作者:時間:2022-05-27來源:英飛凌收藏

    導讀】事物皆有兩面:SiC 以更快的開關速度,相比IGBT可明顯降低器件開關損耗,提升系統效率和功率密度;但是高速的開關切換,也產生了更大的dv/dt和di/dt,對一些電機控制領域的電機絕緣和EMI設計都帶來了額外的挑戰。

    本文引用地址:http://www.me-unplugged.com/article/202205/434554.htm


    應用痛點


    氫燃料系統中的高速空壓機控制器功率35kW上下,轉速高達10萬轉以上,輸出頻率可達2000Hz,調制頻率50kHz以上是常見的設計,SiC 是很好的解決方案。


    但是,SiC的高dv/dt和諧波會造成空壓機線包發熱和電機軸電流。


    一般的對策有二:


    1.采用大的柵極電阻去驅動SiC ,抑制dv/dt,但會顯著增加開關損耗,影響效率。

    2.采用輸出濾波器抑制諧波電流、降低電機側的dv/dt,但體積會占控制器的三分之一以上,增加成本,同時濾波器的引入也會造成一定損耗。


    以上兩種典型設計,以犧牲損耗和效率為代價,似乎“魚與熊掌,不可兼得”……


    解決方案


    針對上述設計痛點,創新地推出了系列驅動IC,結合SiC開關特性進行Rg的優化配置,以期兩全之美,具體過程請看下文分解:


    SiC開關特性


    圖1是SiC的開關特性示意圖,描述了dv/dt與Ic,dv/dt與Rg,Esw與Rg之間的關系


    1.png

    圖1(a)


    2.png

    圖1(b)


    由上圖1的曲線可知:SiC的dv/dt最大值會出現在小電流開通和大電流關斷的時候,通過增加Rgon和Rgoff可以分別降低開通和關斷的dv/dt最值,但是SiC的開關損耗Esw將隨之增加。


    利用的解題思路


    其實解題之術不難。去年業就推出了的驅動IC,結合電機控制領域的IGBT開關特性,提出小電流用大Rg,大電流用小Rg的方法來解決(具體請參考文末的AN文檔)。


    此處我們依然可以借鑒其思路,針對SiC MOSFET開關特性,展開相應的Rg優化策略。


    為了便于大家理解整個過程,本文依據圖1的SiC趨勢曲線,假定了圖2和圖3中的相關曲線,作為后續2L-SRC驅動IC優化Rg和電路仿真分析的基礎。


    (圖2和圖3曲線基于合理性假設,僅供原理參考,真實曲線應以SiC實測為準。)


    優化配置dv/dt(on)時的開通電阻Rgon策略


    3.png

    圖2.1200V SiC MOSFET dv/dt(on)與Ic關系曲線


    由SiC開通dv/dt特性,假設Rgon=5Ω和Rgon=10Ω兩條曲線,和預設的dv/dt限制值如圖2;可根據輸出電流Ic大小,將Rgon分成兩部分,在電流Id=[0,50A]的區間采用Rgon=10Ω開通,在電流=[50A,200A]的區間換成Rgon=5Ω開通。相比傳統驅動方案(全電流范圍都要用Rgon=10Ω),可以在中大電流區間(50A,200A]獲得小電阻開通的Eon損耗優勢。


    優化配置dv/dt(off)時的關斷電阻Rgoff策略


    4.png

    圖3.1200V SiC MOSFET dv/dt(off)與Ic關系曲線


    同樣由SiC關斷dv/dt特性,我們也可以把電流區間一分為二,如下圖假設的條件曲線,在電流=[133A,200A]采用大電阻Rgoff=12Ω關斷,而在電流=[0A,133A]采用小電阻Rgoff=6Ω關斷。相比傳統驅動方案(全電流范圍都要用Rgoff=12Ω),可以在中小電流區間[0A,133A]獲得小電阻關斷的Eoff損耗優勢。


    優化配置dv/dt的驅動策略小結


    根據上述案例分析,優化了驅動電阻Rg控制策略,將電流分成了小電流、中電流、大電流的三部分區間,分別對應不同的門極電阻設置,然后在預定的電流閾值進行Rgon和Rgoff的切換,以達到優化驅動的目的,如下圖所示:


    5.png

    圖4.基于圖2和圖3的驅動電阻Rg控制策略


    基于2L-SRC的驅動電路實現


    依據上述的思路和流程,相關的驅動電阻Rg配置策略不難得到。


    古人云“工欲善其事,必先利其器”,如何用2L-SRC驅動IC來實現呢?


    2L-SRC驅動IC產品與功能簡介


    1653565942615575.png

    圖5.2L-SRC(1ED3240MC12H)功能框圖


    2L-SRC的典型功能框圖,如圖5所示,簡潔的8pin設計。只是在常規IN輸入和OUT輸出之外,又增加了一組OUTF輸出。根據/INF信號與IN信號電平之間的邏輯關系,可以靈活配置OUTF狀態,在常規OUT輸出的開通和關斷時刻發生作用。


    結合下圖,可以更直觀理解2L-SRC驅動IC外接門極電阻時,主要的四種狀態:


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    圖6.2L-SRC(1ED3240MC12H)驅動電阻Rg配置示意圖


    ●   當OUTF僅在開通時使能,則開通電阻Rgon=R1//R3,關斷電阻Rgoff=R2;


    ●   當OUTF僅在關斷時使能,則關斷電阻Rgoff=R2//R4,開通電阻Rgon=R1;


    ●   當OUTF同時開通和關斷使能,則開通電阻Rgon=R1//R3,關斷電阻Rgoff=R2//R4;


    ●   當OUTF開通和關斷皆不使能,則開通電阻Rgon=R1,關斷電阻Rgoff=R2;


    有關OUTF與控制信號/INF和輸入信號IN之間的狀態關系,如圖7所示,規格書有詳盡解讀,這里就不贅述了:


    8.png

    圖7.OUTF與輸入IN和控制/INF之間的狀態關系圖((1ED3240MC12H))


    關于OUTF的核心邏輯就是:


    ●   開通時刻,在輸入信號IN電平跳高時,/INF信號為低電平(0),則OUTF在開通時刻使能;


    ●   關斷時刻,在輸入信號IN電平跳低時,/INF信號為高電平(1),則OUTF在關斷時刻使能。


    2L-SRC驅動的Rg配置(基于圖4控制策略)


    基于2L-SRC驅動IC的控制邏輯,和上述SiC案例中的的驅動電阻Rg優化控制策略,我們可以進一步將2L-SRC驅動IC的配置細化如下:


    9.png

    圖8.基于圖4的2L-SRC(1ED3240MC12H)驅動電阻Rg示意圖


    基于圖8的驅動電阻配置可得:R1=10Ω,.R2=12Ω, R3=10Ω,R4=12Ω


    最終的驅動和控制策略如下:


    ●   當電流=[0,50A]時,/INF為波形序列A,OUTF只在關斷時刻使能,此時Rgon=R1=10Ω,Roff=R2//R4=12//12=6Ω;


    ●   當電流=(50A,133A]時,/INF為波形序列B,OUTF在開通和關斷時刻皆使能,此時Rgon=R1//R3=10//10=5Ω,Rgoff=R2//R4=12//12=6Ω;


    ●   當電流=(133,200A]時,/INF為波形序列C,OUTF只在開通時刻使能,此時Rgon=R1//R3=10//10=5Ω,Rgoff=R2=12Ω;


    PS:為了實現在不同電流區間,給出不同的/INF波形序列,或增加一路簡單的控制閉環。例如,對輸出電流值進行實時采樣或估算,判斷瞬時電流所在電流區間,然后通過上位機(如CPLD、DSP等)給出對應的信號,到驅動IC的/INF引腳。


    應用案例仿真參考


    基于上述2L-SRC的可變Rg配置策略,我們搭建了PLECS電路,參考高速空壓機的應用條件,選取了SiC半橋模塊,進行兩電平三相逆變電路的仿真驗證和對比。


    相關仿真條件如下:


    SiC Easy半橋模塊:FF6MR12W2M1_B70 (1200V/200A AlN)


    散熱器溫度Th=50C,Fsw=50kHz,fo=1kHz, Io=142Arms,Vdc=600V,Modi=1.0,SVPWM,PF=0.95


    傳統驅動方案:Rgon=10Ω,Rgoff=12Ω,Rg全范圍固定阻值


    2L-SRC驅動方案:Rgon=5、10Ω,Rgoff=6、12Ω,Rg隨電流區間切換(圖8)


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    圖9.傳統Rg控制與2L-SRC Rg控制的仿真結果對比


    全文總結


    文章結合SiC開關特性和2L-SRC驅動IC的Rg優化配置,再加上基于一定合理性假設的SiC案例分析,以及最后的仿真對比,效果已然呈現。



    關鍵詞: 英飛凌 MOSFET 2L-SRC

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