驱动APTMC120AM20CT1AG SiC电源开关的ADuM4135栅极驱动器的性能

简介

在太阳能光伏(PV)和储能应用中，提高功率密度已经成为一种趋势，另外我们还需要不断提高效率。碳化硅(SiC)功率器件提供了这个问题的解决方案。SiC器件是宽带隙器件，能够在高于1000 V dc的电压下工作，通常具有较低的漏源阻抗(RDSON)。SiC器件还能满足降低导电性从而提高效率的需求。SiC器件还能达到高于100 kHz的快速开关速度，而且开关过程中的寄生电容和相关电荷也比较低。但它们也存在一些缺点，包括要求栅极驱动器具有大于100 kV/μs的较高共模瞬变抗扰度(CMTI)。另一个缺点是，SiC的漏源的较高开关频率可能导致器件栅极的振荡。在驱动较高电压的SiC器件(使用它们可以实现显著的功率密度提升)时，这些缺点可能导致问题。作为栅极驱动器和SiC的一种组合，ADuM4135和Microsemi APTMC120AM20CT1AG模块可以解决这些问题。ADuM4135栅极驱动器是一款单通道器件，在25 V的工作电压下(VDD至VSS)，典型驱动能力为7 A源电流和灌电流。最小CMTI为100 kV/μs。APTMC120AM20CT1AG电源模块是一款半桥SiC器件，集电极-发射极电压额定值为1200 V，RDSON为17 mΩ，具有108 A的连续电流能力。栅源电压(VGS)额定值为10 V至+25 V。

图1.ADuM4135栅极驱动器模块

测试设置

电气设置

系统测试电路设置如图2所示。直流电压施加于半桥两端的输入，900 µF的去耦电容添加到输入级。输出级为83 µH和128 µF的电感电容(LC)滤波器级，对输出进行滤波，传送到2 Ω至30 Ω的负载R1。

表1显示了测试设置功率器件的列表。图3显示了物理设置，表2详细列出了用于测试的设置设备。

图2.系统测试电路设置

图3.物理设置

测试结果

无负载测试

表3.无负载测试 — 对应插图

1 VHV是HV+和HV−之间的差分电压。

2 IIN表示通过U1的输入电流。

表4.无负载测试 — 温度总结

最新版本的ADuM4135有了一些变化，包括在功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET) Q1和Q2的栅极上添加了2.2 nF的电容。15 nF的去耦电容C0G添加到VHV。表3和表4概括了发现的结果，图4至图9显示了结果的依据。测试1和测试2在600 V电压下进行，分别在50 kHz和100 kHz的开关频率下进行，而测试3则在900 V电压和50 kHz的开关频率下进行。

图4.VHV = 600 V，fSW = 50 kHz，无负载，打开

图5.VHV = 600 V，fSW = 50 kHz，无负载，关闭

图6.VHV = 600 V，fSW = 100 kHz，无负载，打开

图7.VHV = 600 V，fSW = 100 kHz，无负载，关闭

图8.VHV = 900 V，fSW = 50 kHz，无负载，打开

图9.VHV = 900 V，fSW = 50 kHz，无负载，关闭

负载测试

表5.负载测试

1 IOUT是负载电阻R1中的输出电流。

2 VOUT是R1两端的输出电压。

3 POUT是输出功率(IOUT × VOUT)。

4 IIN表示通过U1的输入电流。

板配置类似于“无负载测试”部分的测试设置。

表5概括了在负载测试中发现的结果，图10至图17显示了结果的依据。

测量输出电压(VOUT)，也就是R1两端的电压。测试结果显示了VGS上的一些米勒反馈，但在SiC的栅极，VGS仍为−5 V电平。在900 V电压下，在VDS上看到一些振荡，但小于100 V的输入直流电压。此设计显示了ADuM4135如何能够驱动SiC MOSFET，并且提供优良性能。

图10.VHV = 200 V，fSW = 50 kHz，POUT = 83 W，打开

图11.VHV = 200 V，fSW = 50 kHz，POUT = 83 W，关闭

图12.VHV = 600 V，fSW = 50 kHz，POUT = 1000 W，打开

图13.VHV = 600 V，fSW = 50 kHz，POUT = 1000 W，关闭

图14.VHV = 900 V，fSW = 50 kHz，POUT = 1870.5 W，打开

图15.VHV = 900 V，fSW = 50 kHz，POUT = 1870.5 W，关闭

图16.VHV = 900 V，fSW = 100 kHz，POUT = 1640 W，打开

图17.VHV = 900 V，fSW = 100 kHz，POUT = 1640 W，关闭

高电流测试

表6.高电流测试

1 占空比高端。

2 IOUT是负载电阻R1中的输出电流。

3 VOUT是R1两端的输出电压。

4 PIN是输入功率(IIN × VHV)。

5 IIN表示通过U1的输入电流。

板配置类似于“无负载测试”部分的测试设置。本测试中使用了Regatron电源。

表6概括了在高电流测试中发现的结果，图18至图23显示了结果的依据。

测量VOUT，也就是R1两端的电压。

图18.VHV = 300 V，fSW = 50 kHz，输出电流(IOUT) = 21.8 A，打开

图19.VHV = 300 V，fSW = 50 kHz，输出电流(IOUT) = 21.8 A，关闭

图20.VHV = 400 V，fSW = 50 kHz，输出电流(IOUT) = 27.1 A，打开

图21.VHV = 400 V，fSW = 50 kHz，输出电流(IOUT) = 27.1 A，关闭

图22.VHV = 600 V，fSW = 50 kHz，输出电流(IOUT) = 40.5 A，脉冲宽度调制(PWM)延迟，打开

图23.VHV = 600 V，fSW = 50 kHz，输出电流(IOUT) = 40.5 A，关闭

PWM延迟

ADuM4135输入和输出PWM测量两个信号之间的延迟。这些测试直接在ADuM4135的输入和输出引脚上进行。延迟为59.4 ns。

图24.输入和输出PWM之间的延迟，打开

图25.输入和输出PWM之间的延迟，关闭

原理图

图26.ADuM4135栅极驱动器板原理图

结论

ADuM4135栅极驱动器具有电流驱动能力和正确的电源范围，还有大于100 kV/µs的强大CMTI能力，在驱动SiC MOSFET时提供优良的性能。

测试结果提供了数据，表明该产品为驱动SiC的隔离电源、高电压栅极驱动器提供了解决方案。