2022年买电子元器件,上唯样商城

鱼与熊掌皆可得?当SiC MOSFET遇上2L-SRC

事物皆有两面:SiC MOSFET以更快的开关速度,相比IGBT可明显降低器件开关损耗,提升系统效率和功率密度;但是高速的开关切换,也产生了更大的dv/dt和di/dt,对一些电机控制领域的电机绝缘和EMI设计都带来了额外的挑战。

【导读】事物皆有两面:SiC MOSFET以更快的开关速度,相比IGBT可明显降低器件开关损耗,提升系统效率和功率密度;但是高速的开关切换,也产生了更大的dv/dt和di/dt,对一些电机控制领域的电机绝缘和EMI设计都带来了额外的挑战。


应用痛点


氢燃料系统中的高速空压机控制器功率35kW上下,转速高达10万转以上,输出频率可达2000Hz,调制频率50kHz以上是常见的设计,SiC MOSFET是很好的解决方案。


但是,SiC的高dv/dt和谐波会造成空压机线包发热和电机轴电流。


一般的对策有二:


1.采用大的栅极电阻去驱动SiC MOSFET,抑制dv/dt,但会显著增加开关损耗,影响效率。

2.采用输出滤波器抑制谐波电流、降低电机侧的dv/dt,但体积会占控制器的三分之一以上,增加成本,同时滤波器的引入也会造成一定损耗。


以上两种典型设计,以牺牲损耗和效率为代价,似乎“鱼与熊掌,不可兼得”……


英飞凌解决方案


针对上述设计痛点,英飞凌创新地推出了2L-SRC系列驱动IC,结合SiC开关特性进行Rg的优化配置,以期两全之美,具体过程请看下文分解:


SiC开关特性


图1是SiC的开关特性示意图,描述了dv/dt与Ic,dv/dt与Rg,Esw与Rg之间的关系


1.png

图1(a)


2.png

图1(b)


由上图1的曲线可知:SiC的dv/dt最大值会出现在小电流开通和大电流关断的时候,通过增加Rgon和Rgoff可以分别降低开通和关断的dv/dt最值,但是SiC的开关损耗Esw将随之增加。


利用2L-SRC的解题思路


其实解题之术不难。去年英飞凌业就推出了2L-SRC的驱动IC,结合电机控制领域的IGBT开关特性,提出小电流用大Rg,大电流用小Rg的方法来解决(具体请参考文末的AN文档)。


此处我们依然可以借鉴其思路,针对SiC MOSFET开关特性,展开相应的Rg优化策略。


为了便于大家理解整个过程,本文依据图1的SiC趋势曲线,假定了图2和图3中的相关曲线,作为后续2L-SRC驱动IC优化Rg和电路仿真分析的基础。


(图2和图3曲线基于合理性假设,仅供原理参考,真实曲线应以SiC实测为准。)


优化配置dv/dt(on)时的开通电阻Rgon策略


3.png

图2.1200V SiC MOSFET dv/dt(on)与Ic关系曲线


由SiC开通dv/dt特性,假设Rgon=5Ω和Rgon=10Ω两条曲线,和预设的dv/dt限制值如图2;可根据输出电流Ic大小,将Rgon分成两部分,在电流Id=[0,50A]的区间采用Rgon=10Ω开通,在电流=[50A,200A]的区间换成Rgon=5Ω开通。相比传统驱动方案(全电流范围都要用Rgon=10Ω),可以在中大电流区间(50A,200A]获得小电阻开通的Eon损耗优势。


优化配置dv/dt(off)时的关断电阻Rgoff策略


4.png

图3.1200V SiC MOSFET dv/dt(off)与Ic关系曲线


同样由SiC关断dv/dt特性,我们也可以把电流区间一分为二,如下图假设的条件曲线,在电流=[133A,200A]采用大电阻Rgoff=12Ω关断,而在电流=[0A,133A]采用小电阻Rgoff=6Ω关断。相比传统驱动方案(全电流范围都要用Rgoff=12Ω),可以在中小电流区间[0A,133A]获得小电阻关断的Eoff损耗优势。


优化配置dv/dt的驱动策略小结


根据上述案例分析,优化了驱动电阻Rg控制策略,将电流分成了小电流、中电流、大电流的三部分区间,分别对应不同的门极电阻设置,然后在预定的电流阈值进行Rgon和Rgoff的切换,以达到优化驱动的目的,如下图所示:


5.png

图4.基于图2和图3的驱动电阻Rg控制策略


基于2L-SRC的驱动电路实现


依据上述的思路和流程,相关的驱动电阻Rg配置策略不难得到。


古人云“工欲善其事,必先利其器”,如何用2L-SRC驱动IC来实现呢?


2L-SRC驱动IC产品与功能简介


1653565942615575.png

图5.2L-SRC(1ED3240MC12H)功能框图


2L-SRC的典型功能框图,如图5所示,简洁的8pin设计。只是在常规IN输入和OUT输出之外,又增加了一组OUTF输出。根据/INF信号与IN信号电平之间的逻辑关系,可以灵活配置OUTF状态,在常规OUT输出的开通和关断时刻发生作用。


结合下图,可以更直观理解2L-SRC驱动IC外接门极电阻时,主要的四种状态:


1653565927525244.png

图6.2L-SRC(1ED3240MC12H)驱动电阻Rg配置示意图


● 当OUTF仅在开通时使能,则开通电阻Rgon=R1//R3,关断电阻Rgoff=R2;


● 当OUTF仅在关断时使能,则关断电阻Rgoff=R2//R4,开通电阻Rgon=R1;


● 当OUTF同时开通和关断使能,则开通电阻Rgon=R1//R3,关断电阻Rgoff=R2//R4;


● 当OUTF开通和关断皆不使能,则开通电阻Rgon=R1,关断电阻Rgoff=R2;


有关OUTF与控制信号/INF和输入信号IN之间的状态关系,如图7所示,规格书有详尽解读,这里就不赘述了:


8.png

图7.OUTF与输入IN和控制/INF之间的状态关系图((1ED3240MC12H))


关于OUTF的核心逻辑就是:


● 开通时刻,在输入信号IN电平跳高时,/INF信号为低电平(0),则OUTF在开通时刻使能;


● 关断时刻,在输入信号IN电平跳低时,/INF信号为高电平(1),则OUTF在关断时刻使能。


2L-SRC驱动的Rg配置(基于图4控制策略)


基于2L-SRC驱动IC的控制逻辑,和上述SiC案例中的的驱动电阻Rg优化控制策略,我们可以进一步将2L-SRC驱动IC的配置细化如下:


9.png

图8.基于图4的2L-SRC(1ED3240MC12H)驱动电阻Rg示意图


基于图8的驱动电阻配置可得:R1=10Ω,.R2=12Ω, R3=10Ω,R4=12Ω


最终的驱动和控制策略如下:


● 当电流=[0,50A]时,/INF为波形序列A,OUTF只在关断时刻使能,此时Rgon=R1=10Ω,Roff=R2//R4=12//12=6Ω;


● 当电流=(50A,133A]时,/INF为波形序列B,OUTF在开通和关断时刻皆使能,此时Rgon=R1//R3=10//10=5Ω,Rgoff=R2//R4=12//12=6Ω;


● 当电流=(133,200A]时,/INF为波形序列C,OUTF只在开通时刻使能,此时Rgon=R1//R3=10//10=5Ω,Rgoff=R2=12Ω;


PS:为了实现在不同电流区间,给出不同的/INF波形序列,或增加一路简单的控制闭环。例如,对输出电流值进行实时采样或估算,判断瞬时电流所在电流区间,然后通过上位机(如CPLD、DSP等)给出对应的信号,到驱动IC的/INF引脚。


应用案例仿真参考


基于上述2L-SRC的可变Rg配置策略,我们搭建了PLECS电路,参考高速空压机的应用条件,选取了SiC半桥模块,进行两电平三相逆变电路的仿真验证和对比。


相关仿真条件如下:


SiC Easy半桥模块:FF6MR12W2M1_B70 (1200V/200A AlN)


散热器温度Th=50C,Fsw=50kHz,fo=1kHz, Io=142Arms,Vdc=600V,Modi=1.0,SVPWM,PF=0.95


传统驱动方案:Rgon=10Ω,Rgoff=12Ω,Rg全范围固定阻值


2L-SRC驱动方案:Rgon=5、10Ω,Rgoff=6、12Ω,Rg随电流区间切换(图8)


1653565888631185.png

图9.传统Rg控制与2L-SRC Rg控制的仿真结果对比


全文总结


文章结合SiC开关特性和2L-SRC驱动IC的Rg优化配置,再加上基于一定合理性假设的SiC案例分析,以及最后的仿真对比,效果已然呈现。


回顾开题:2L-SRC+SiC,鱼与熊掌皆可得乎?想必大家心中已有答案。




THE END
免责声明:本文为网友转载文章,转载此文目的在于传递更多信息,版权归原作者所有,与平台无关。本文所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题,请电话或者邮箱(marketing@oneyac.com)联系小编进行侵删。
资讯排行榜
原厂授权品牌

更多授权品牌 >>

热卖元器件
编号 库存
74AHC08PW,118 5,100
PSMN6R0-30YLDX 178,500
ICM-20690 18,804
PSMN4R0-30YLDX 7,500
UCD1E222MNQ1MS 670
ICM-40607-A 203,612
NB-80E-01-H 213
热门标签