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魚與熊掌皆可得?當(dāng)SiC MOSFET遇上2L-SRC

發(fā)布時(shí)間:2022-06-07 來(lái)源:英飛凌 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】事物皆有兩面:SiC MOSFET以更快的開關(guān)速度,相比IGBT可明顯降低器件開關(guān)損耗,提升系統(tǒng)效率和功率密度;但是高速的開關(guān)切換,也產(chǎn)生了更大的dv/dt和di/dt,對(duì)一些電機(jī)控制領(lǐng)域的電機(jī)絕緣和EMI設(shè)計(jì)都帶來(lái)了額外的挑戰(zhàn)。


應(yīng)用痛點(diǎn)


氫燃料系統(tǒng)中的高速空壓機(jī)控制器功率35kW上下,轉(zhuǎn)速高達(dá)10萬(wàn)轉(zhuǎn)以上,輸出頻率可達(dá)2000Hz,調(diào)制頻率50kHz以上是常見的設(shè)計(jì),SiC MOSFET是很好的解決方案。


但是,SiC的高dv/dt和諧波會(huì)造成空壓機(jī)線包發(fā)熱和電機(jī)軸電流。


一般的對(duì)策有二:


1.采用大的柵極電阻去驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET,抑制dv/dt,但會(huì)顯著增加開關(guān)損耗,影響效率。

2.采用輸出濾波器抑制諧波電流、降低電機(jī)側(cè)的dv/dt,但體積會(huì)占控制器的三分之一以上,增加成本,同時(shí)濾波器的引入也會(huì)造成一定損耗。


以上兩種典型設(shè)計(jì),以犧牲損耗和效率為代價(jià),似乎“魚與熊掌,不可兼得”……


英飛凌解決方案


針對(duì)上述設(shè)計(jì)痛點(diǎn),英飛凌創(chuàng)新地推出了2L-SRC系列驅(qū)動(dòng)IC,結(jié)合SiC開關(guān)特性進(jìn)行Rg的優(yōu)化配置,以期兩全之美,具體過(guò)程請(qǐng)看下文分解:


SiC開關(guān)特性


圖1是SiC的開關(guān)特性示意圖,描述了dv/dt與Ic,dv/dt與Rg,Esw與Rg之間的關(guān)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(huì)出現(xiàn)在小電流開通和大電流關(guān)斷的時(shí)候,通過(guò)增加Rgon和Rgoff可以分別降低開通和關(guān)斷的dv/dt最值,但是SiC的開關(guān)損耗Esw將隨之增加。


利用2L-SRC的解題思路


其實(shí)解題之術(shù)不難。去年英飛凌業(yè)就推出了2L-SRC的驅(qū)動(dòng)IC,結(jié)合電機(jī)控制領(lǐng)域的IGBT開關(guān)特性,提出小電流用大Rg,大電流用小Rg的方法來(lái)解決(具體請(qǐng)參考文末的AN文檔)。


此處我們依然可以借鑒其思路,針對(duì)SiC MOSFET開關(guān)特性,展開相應(yīng)的Rg優(yōu)化策略。


為了便于大家理解整個(gè)過(guò)程,本文依據(jù)圖1的SiC趨勢(shì)曲線,假定了圖2和圖3中的相關(guān)曲線,作為后續(xù)2L-SRC驅(qū)動(dòng)IC優(yōu)化Rg和電路仿真分析的基礎(chǔ)。


(圖2和圖3曲線基于合理性假設(shè),僅供原理參考,真實(shí)曲線應(yīng)以SiC實(shí)測(cè)為準(zhǔn)。)


優(yōu)化配置dv/dt(on)時(shí)的開通電阻Rgon策略


3.png

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


由SiC開通dv/dt特性,假設(shè)Rgon=5Ω和Rgon=10Ω兩條曲線,和預(yù)設(shè)的dv/dt限制值如圖2;可根據(jù)輸出電流Ic大小,將Rgon分成兩部分,在電流Id=[0,50A]的區(qū)間采用Rgon=10Ω開通,在電流=[50A,200A]的區(qū)間換成Rgon=5Ω開通。相比傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方案(全電流范圍都要用Rgon=10Ω),可以在中大電流區(qū)間(50A,200A]獲得小電阻開通的Eon損耗優(yōu)勢(shì)。


優(yōu)化配置dv/dt(off)時(shí)的關(guān)斷電阻Rgoff策略


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


同樣由SiC關(guān)斷dv/dt特性,我們也可以把電流區(qū)間一分為二,如下圖假設(shè)的條件曲線,在電流=[133A,200A]采用大電阻Rgoff=12Ω關(guān)斷,而在電流=[0A,133A]采用小電阻Rgoff=6Ω關(guān)斷。相比傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方案(全電流范圍都要用Rgoff=12Ω),可以在中小電流區(qū)間[0A,133A]獲得小電阻關(guān)斷的Eoff損耗優(yōu)勢(shì)。


優(yōu)化配置dv/dt的驅(qū)動(dòng)策略小結(jié)


根據(jù)上述案例分析,優(yōu)化了驅(qū)動(dòng)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(qū)間,分別對(duì)應(yīng)不同的門極電阻設(shè)置,然后在預(yù)定的電流閾值進(jìn)行Rgon和Rgoff的切換,以達(dá)到優(yōu)化驅(qū)動(dòng)的目的,如下圖所示:


5.png

圖4.基于圖2和圖3的驅(qū)動(dòng)電阻Rg控制策略


基于2L-SRC的驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)


依據(jù)上述的思路和流程,相關(guān)的驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)IC來(lái)實(shí)現(xiàn)呢?


2L-SRC驅(qū)動(dòng)IC產(chǎn)品與功能簡(jiǎn)介


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圖5.2L-SRC(1ED3240MC12H)功能框圖


2L-SRC的典型功能框圖,如圖5所示,簡(jiǎn)潔的8pin設(shè)計(jì)。只是在常規(guī)IN輸入和OUT輸出之外,又增加了一組OUTF輸出。根據(jù)/INF信號(hào)與IN信號(hào)電平之間的邏輯關(guān)系,可以靈活配置OUTF狀態(tài),在常規(guī)OUT輸出的開通和關(guān)斷時(shí)刻發(fā)生作用。


結(jié)合下圖,可以更直觀理解2L-SRC驅(qū)動(dòng)IC外接門極電阻時(shí),主要的四種狀態(tài):


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圖6.2L-SRC(1ED3240MC12H)驅(qū)動(dòng)電阻Rg配置示意圖


●   當(dāng)OUTF僅在開通時(shí)使能,則開通電阻Rgon=R1//R3,關(guān)斷電阻Rgoff=R2;


●   當(dāng)OUTF僅在關(guān)斷時(shí)使能,則關(guān)斷電阻Rgoff=R2//R4,開通電阻Rgon=R1;


●   當(dāng)OUTF同時(shí)開通和關(guān)斷使能,則開通電阻Rgon=R1//R3,關(guān)斷電阻Rgoff=R2//R4;


●   當(dāng)OUTF開通和關(guān)斷皆不使能,則開通電阻Rgon=R1,關(guān)斷電阻Rgoff=R2;


有關(guān)OUTF與控制信號(hào)/INF和輸入信號(hào)IN之間的狀態(tài)關(guān)系,如圖7所示,規(guī)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(tài)關(guān)系圖((1ED3240MC12H))


關(guān)于OUTF的核心邏輯就是:


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


●   關(guān)斷時(shí)刻,在輸入信號(hào)IN電平跳低時(shí),/INF信號(hào)為高電平(1),則OUTF在關(guān)斷時(shí)刻使能。


2L-SRC驅(qū)動(dòng)的Rg配置(基于圖4控制策略)


基于2L-SRC驅(qū)動(dòng)IC的控制邏輯,和上述SiC案例中的的驅(qū)動(dòng)電阻Rg優(yōu)化控制策略,我們可以進(jìn)一步將2L-SRC驅(qū)動(dòng)IC的配置細(xì)化如下:


9.png

圖8.基于圖4的2L-SRC(1ED3240MC12H)驅(qū)動(dòng)電阻Rg示意圖


基于圖8的驅(qū)動(dòng)電阻配置可得:R1=10Ω,.R2=12Ω, R3=10Ω,R4=12Ω


最終的驅(qū)動(dòng)和控制策略如下:


●   當(dāng)電流=[0,50A]時(shí),/INF為波形序列A,OUTF只在關(guān)斷時(shí)刻使能,此時(shí)Rgon=R1=10Ω,Roff=R2//R4=12//12=6Ω;


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


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


PS:為了實(shí)現(xiàn)在不同電流區(qū)間,給出不同的/INF波形序列,或增加一路簡(jiǎn)單的控制閉環(huán)。例如,對(duì)輸出電流值進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣或估算,判斷瞬時(shí)電流所在電流區(qū)間,然后通過(guò)上位機(jī)(如CPLD、DSP等)給出對(duì)應(yīng)的信號(hào),到驅(qū)動(dòng)IC的/INF引腳。


應(yīng)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(jī)的應(yīng)用條件,選取了SiC半橋模塊,進(jìn)行兩電平三相逆變電路的仿真驗(yàn)證和對(duì)比。


相關(guān)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(tǒng)驅(qū)動(dòng)方案:Rgon=10Ω,Rgoff=12Ω,Rg全范圍固定阻值


2L-SRC驅(qū)動(dòng)方案:Rgon=5、10Ω,Rgoff=6、12Ω,Rg隨電流區(qū)間切換(圖8)


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圖9.傳統(tǒng)Rg控制與2L-SRC Rg控制的仿真結(jié)果對(duì)比


全文總結(jié)


文章結(jié)合SiC開關(guān)特性和2L-SRC驅(qū)動(dòng)IC的Rg優(yōu)化配置,再加上基于一定合理性假設(shè)的SiC案例分析,以及最后的仿真對(duì)比,效果已然呈現(xiàn)。


回顧開題:2L-SRC+SiC,魚與熊掌皆可得乎?想必大家心中已有答案。



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