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  碳化硅 (SiC) MOSFET在功率電子領域迅速普及。同時，為了在汽車和電動車的三相逆變器中加強SiC的應用，SiC器件的電壓電流能力需要顯著提高。提高電壓等級需要提升SiC芯片本身的設計，而提高電流能力在大多數情況下則需要在單個功率模塊中并聯多個SiC芯片。模塊經過精心設計，在高電流、散熱、寄生組件管理和使用壽命之間實現了平衡。

  RoadPak SiC MOSFET 1.2kV模塊完美滿足上述要求，其采用半橋配置，每側可并聯多達10個SiC MOSFET芯片，支持大電流。

  為了充分利用SiC MOSFET技術實現的低損耗，應用層面必須實現高速切換，以降低開關損耗，提高效率。然而，在實踐中，功率半導體器件的開通和關斷面臨一系列困難，需要仔細設計整個系統(tǒng)。模塊的柵極驅動單元需要與功率模塊完美協調，不僅要平衡柵源電壓的性能，還要能驅動基本的安全特性，為逆變器的運行提供安全的機制。

  此外，柵極驅動單元還具備智能化的特色和控制方法，可進一步提高功率模塊的性能。恩智浦GD3160高級柵極驅動 (器) 是一款功能齊全的集成式柵極驅動單元，不僅為下一代SiC功率模塊提供了穩(wěn)健的控制，還帶有確保功率轉換器安全、高效運行等多種功能。

  重點介紹了名為“分段驅動”的柵波整形功能，具體請參見在日立RoadPak SiC MOSFET模塊上演示的恩智浦GD3160高級柵極驅動。該功能支持在正常電流范圍內實現功率模塊快速開關，同時在發(fā)生過流時保護模塊免受過壓影響。這種去耦合支持設計高效的逆變器單元，而不用擔心發(fā)生故障時會損壞模塊。

  證明了這種“分段驅動”特性可以將模塊關閉切換損耗降低30% ~ 40%，具體取決于實際工況。從而支持更高的電流吞吐量和更高能效的逆變器，而不會因應力過沖減少使用壽命。

  恩智浦GD3160分段驅動

  分段驅動是一種先進的柵極驅動技術，柵極關斷強度 (以安培為單位) 根據關斷時序逐級降低。分段驅動通過降低關斷過程中短時很重要的那部分的電流來減緩關斷過程。

  這減少了電壓過沖，甚至支持在條件允許的情況下使用較小的柵極驅動電阻來降低開關損耗。這類智能、復雜的方法利用連接到功率器件漏極/集電極之間的DESET電路來實現。

  圖1：恩智浦GD3160分段驅動框圖

  不采用分段驅動時，關斷期間的過沖和損耗取決于柵極驅動電阻值 (RGL)，通常直接成反比關系 (即過沖較低意味著關斷損耗較高，反之亦然)。

  啟用和配置了分段驅動后，可以實現更低的過沖和更低的關斷能耗，因為GD316的電流限制了部分關斷時序的關斷路徑。由于柵極驅動修改了關斷電流時序，關斷性能不再僅僅取決于柵極驅動電阻值。

  該功能可配置度高，具有動態(tài)靈活性，可適應不斷變化的電流和溫度條件。分段驅動僅在非故障關閉時有效，不應與電流限制 軟關斷的去飽和、短路保護或過流故障保護相混淆。

  分段驅動效果的基礎示例

  分段驅動時序只是略微修改正常無故障的關斷操作。下圖顯示了GD3160上柵極驅動修改的程度(及其對過沖電壓的影響)。

  圖2：分段驅動對柵極和過沖的影響

  在分段驅動時序中執(zhí)行以下步驟：

  1.發(fā)出PWM命令，關閉功率模塊。

  2.柵極開始使用RGL關斷電阻的最高強度關閉，DESAT引腳電壓上升。

  3.當DESAT引腳上的電壓超過分段驅動激活閾值 (VSEGDRV_TH) 時，柵極驅動開始改變關斷流程并持續(xù)到時序結束。

  4.在激活軟關斷電流 (ISSD) 之前，增加了100ns的延遲以及分段驅動激活延遲時間 (tSEGDRVDLY)

  5.軟關斷功能用于緩慢通過功率器件的閾值區(qū)域，減少di/dt和過沖應力。

  使用分段驅動降低開關損耗

  可選擇關斷柵極電阻(RGL)，通過限制最壞情況的過沖，分段驅動允許系統(tǒng)設計師使用比其他情況下更低的關斷電阻值。使用較小的電阻可降低總關斷損耗并

  提高效率。

  我們使用日立RoadPak和GD3160進行了實驗室測試，以證明使用這種分段驅動功能可以實現效率提升。

  測試用例使用的是800V逆變器。為了確定安全的柵極電阻RGL，我們使用了950V / 1000A車輛中可能發(fā)生的最壞情況。得益于日立RoadPak模塊的低雜散電感，在這種最壞情況下出現過沖的概率非常低，如果不啟用分段驅動功能，系統(tǒng)設計人員需要將RGL設置為3歐姆。

  下圖顯示，在950V / 1000A的最壞情況下，RGL = 3歐姆時，VDS過沖達到1096V，接近1100V的目標，對于這個SiC模塊來說是安全的。

  圖3：950V / 1000A時的關斷波形，關閉分段驅動功能，RGL=3歐姆