现代IGBT/MOSFET端口驱动器为绝缘提供最大功率限制
发布时间:2019-06-27 16:30
Bernhard Strzalkowski博士

ADI公司

摘要

本文通过故意损坏IGBT/MOSFET电源开关来研究栅极驱动器隔离栅的容差。

在诸如电动/混合动力车辆的高可靠性和高性能应用中,隔离栅极驱动器需要确保在所有条件下屏障都是完整的。随着Si-MOSFET/IGBT的不断改进以及GaN和SiC工艺技术的引入,现代逆变器/逆变器的功率密度不断提高。因此,需要一种新的高度耐用且高度集成的绝缘端口驱动器。这些驱动器的电流隔离很小,可以集成到驱动器芯片中。这种电绝缘可以通过集成微变压器或高压电容器来实现。 1,2,3意外的系统故障可能导致电源开关甚至整个电源逆变器损坏和爆炸。因此,有必要研究如何安全地实现高功率密度驱动器的端口驱动器隔离功能。必须测试和验证最坏情况下的可靠性(电源开关被破坏)。

简介

在最坏的情况下,当高功率MOSFET/IGBT发生故障时,数千个逆变器电容器将快速放电。释放的电流可能导致MOSFET/IGBT损坏,封装爆炸和等离子体释放到环境中。 4进入栅极驱动电路的电流的一部分可能导致电气过载。 5由于极高的功率密度,在制造驱动器芯片时,必须确保即使芯片本身发生故障也能保持电流隔离。

高度集成的现代门驱动器结构

芯片级绝缘采用平面微变压器方法来提供电绝缘。它采用晶圆级技术制造,尺寸适合半导体器件。 1iCoupler®通道包含两个集成电路(IC)和几个芯片级变压器(图1)。绝缘屏障提供隔离屏障,将每个变压器的上线圈和下线圈隔开(图2)。在晶片制造过程中,数字绝缘体由聚酰亚胺绝缘层制成,其厚度至少为20μm,放置在变压器的扁平线圈之间。该制造工艺将绝缘元件与任何低成本晶圆半导体工艺集成在一起,以实现卓越的品质和可图2的横截面图示出了由较厚的聚酰亚胺层分开的上线圈和下线圈的匝数。

现代IGBT/MOSFET栅极驱动器提供隔离功能的最大功率限制

图1.半桥MOSFET驱动器ADuM3223的芯片配置

封装内的引线框架完成绝缘。当栅极驱动器的输出芯片被电源开关爆炸损坏时,隔板和内部芯片配置必须确保绝缘层完好无损。为确保栅极驱动器不受损坏,采取了以下保护措施:

►正确设置外部电路的大小,以限制流向栅极驱动器芯片的电流。

►正确设置驱动芯片上的输出晶体管

►在芯片上正确配置微变压器

►正确组织控制包中的驱动芯片

现代IGBT/MOSFET栅极驱动器提供隔离功能的最大功率限制

图2. ADuM3223:微变压器的横截面。

ADuM3223端口驱动器芯片的内部配置(图1)显示了芯片配置示例,可避免极端电气过载期间的电流隔离故障。

用于模拟逆变器最差故障条件的破坏性测试

建立了具有385 V和750 V两种电压的测试电路,以模拟功率逆变器的实际情况。在需要功率因数校正的110 V/230 V AC网络系统上,385 V电压水平极为常见。在使用额定开断电压为1200 V的扳手的驱动应用中,750 V的电压水平对于所使用的高功率转换器来说非常普遍。

在破坏性测试中,由电源开关和适当的逆变器组成的逆变桥接通,直到开关失效。记录破坏过程中的波形以确定输入芯片驱动器芯片级。已经研究了几种保护措施来限制流入栅极驱动电路的开断电流。在破坏性测试中使用各种IGBT和MOSFET。

用于控制MOSFET/IGBT损耗水平的测试电路

为了实现IGBT/MOSFET驱动器的电过载测试(EOS测试),建立一个非常接近实际情况的电路。该电路包含用于逆变器的电容器和电阻器,功率范围为5 kW至20 kW。轴向型栅极电阻器Rg使用标称功率为2W的金属电阻器。为了防止电流从高压电路反向到外部电源,使用阻塞二极管D1。这也反映了实际情况,因为浮动电源包括至少一个整流器(即自举电路)。高压(HV)电源通过包括负载电阻器Rch和开关S1的电路对电解电容器块充电。

实施EOS测试时,500μs激活信号用于控制VIA或VIB输入。连接信号通过微绝缘传输,这可能导致短路并损坏功率晶体管T1。在某些情况下,晶体管封装中可能会发生爆炸。

总共四个开关(两级电压)用于模拟逆变器损坏。对特定类型的开关进行的第一次测试是在不使用功率限制电路的情况下进行的。为了限制在损坏阶段流向驱动电路的电流,一些测试将齐纳Dz二极管(BZ16,1.3W)直接放置在驱动器输出引脚上。此外,还研究了几种门强度值。

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图3. ADuM4223 EOS电路布局,用于测量电源开关损坏对绝缘容差的影响。

现代IGBT/MOSFET栅极驱动器提供隔离功能的最大功率限制

图4. ADuM4223 EOS电路布局用于确定绝缘容差的能量限制。

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图5.在最坏的情况下(当输入和输出芯片直接受电流影响时)ADuM4223的EOS电路。

没有功率限制栅极驱动电路直接损坏测试电路

进行了另一个模拟的最坏情况实验,其中端口驱动器的输入和输出芯片直接受到破坏性能量。在这种破坏性测试中,将一个完全充电的大容量电容直接连接到栅极驱动器的输出端(图4)。该测试表明了测试绝缘功能容差时可能出现的最严重的开销条件。电流直接流入驱动电路,门的电阻是唯一的能量限制装置。继电器S2将高压连接到输出栅极驱动器电路。

图5显示了最坏的情况,其中没有使用器件来限制流向输入和输出芯片的电流。 750 V高压通过S1开关直接施加到输出芯片,这意味着最坏的情况是750 V的平均和高电压直接施加到驱动器芯片而没有限流栅极电阻。

另一种可能的最坏情况是向驱动器的主控芯片施加过大的电源电压。建议的最大输入电压为5.5 V.如果产生输入电压的DC-DC转换器失去设置,其输出电压将增加。当设置丢失时,逆变器的输出电压可以增加到第一级DC-DC转换器的2到3倍。 ADuM4223输入芯片的功率有限,其他器件(如电阻,开/关开关和电感器)与往常一样处于各自的位置。这些器件可以防止电流流到控制芯片。要真实地模拟DC-DC转换器故障,请选择电流限制为15 V和1.5 A的电源电压。

实验结果

表1示出了使用图1和2的电路执行过载测试的结果。为了确定保护电路的作用,对每种类型的MOSFET/IGBT电源开关进行了两次测试。在测试9,10和11的最坏情况下,使用机械开关S1和S2。

1.不同功率开关及不同损坏条件下的破坏性试验

测试

ADuM4223

医生#

U/V

Rg

Dz

结果

Ed/mJ

评论

改变

电路

1

1

B

385

4.7

没有

损坏

8.5

FDP5N50

图3

2

1

一个

385

2×2.2

16

没有损坏

3.5

FDP5N50

图3

3

2

一个

385

2×2.2

16

损坏

Rg,DZ没问题

2xFDP5N50

图3

4

2

B

385

12

16

没有损坏

2xFDP5N50

图3

5

2

B

385

4.7

16

没有损坏

0.5

spw24N60C3

图3

6

2

B

385

3.9

没有

没有损坏

spw24N60C3

图3

7

2

B

750

4.7

16

没有损坏

20

Rg损坏,DZ没问题

Ixgp20n100

图3

8

2

B

750

4.7

没有

损坏

25

Rg已损坏

Ixgp20n100

图3

9

1

一个

150

4.7

没有

损坏

Rg已损坏

开关S2

图4

10

3

一个

750

0

没有

损坏

最坏情况的输出单元

开关S1

图5

11

4

输入

15

0

没有

损坏

最坏情况输入堆栈

开关S2

图5

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图6.损坏的SPW2460C3产生的波形;没有发现驱动器损坏。

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图7.损坏的2xFDP5N50(并行)产生的波形;门司机失败了。

通常,齐纳二极管可以帮助保护驱动器电路,如表中所示(对比测试1和测试2)。然而,当栅极电阻值太小时,尽管使用齐纳二极管,仍然会损坏驱动器(对比测试3和测试4)。

当比较测试2和测试3,以及测试3和测试4时,可以估计损坏逆变器的电流。从测试5和6可以得出一个非常有趣的结论:与相同功率等级的IGBT相比,超结MOSFET似乎显着降低了流向栅极驱动器的功率水平。测试9,10和11的目的(不限制流向控制和驱动芯片的电流)是为了研究绝缘屏障的不良耐受性。

除MOSFET和IGBT之外的损坏性能

破坏性测试显示电源开关损坏时的各种波形。图6显示了超结MOSFET的波形。键合电路和芯片损坏之间的时间间隔约为100μs。只有非常有限的电流流向驱动器芯片并且受到过载条件的影响。在相同的测试条件下,标准MOSFET产生的端口电流和过压明显更高,导致驱动器损坏,如图7所示。

芯片损坏分析

部分栅极驱动器封装类似于不同的开关和不同的测试条件。图8显示了基于P-MOSFET输出触发级(表1)的测试8中的损坏。该测试导致IGBT在750 V的电压下爆炸,并且限流装置Rg和DZ被损坏;然而,仅观察到VDDA针线的粘合位置附近的小熔化范围。在损坏阶段,栅极的过流通过集成的P-MOSFET二极管流向100μF电容。由于过电流,导线连接附近的区域会熔化。驱动器芯片不再受损,控制芯片没有进一步的绝缘损坏。图9显示了在运行9期间的铸造区域,其中150V的高电压直接施加到驱动器芯片。控制芯片的电气隔离经历了这种极端过载测试。

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图8.栅极驱动器芯片照片显示了测试8(ADuM4223#1)中损坏的位置。只是输出芯片表面的一小部分烧坏。没有发现绝缘屏障被损坏。

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图9.栅极驱动器芯片照片显示了测试9(ADuM4223#2)中损坏的位置。极端电气过载不会损坏控制芯片。没有发现绝缘屏障被损坏。

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图10.栅极驱动器芯片照片显示测试期间损坏的位置10.输出驱动器施加超高功率损坏电路;大面积烧伤。但是,屏障没有受损。

初级侧的最坏情况表明在控制芯片上施加了超高电源电压。因此,在测试11中,15 V电源电压施加到VDD1引脚(图5),明显超过7.0 V的绝对最大额定值。图11中的照片显示了近芯片到VDD1引脚的部分烧毁。

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图11.输入控制芯片的照片,显示测试期间损坏的位置11.施加到电路的电流会在VDD1引脚周围造成小面积损坏。没有发现绝缘屏障被损坏。

结论

电源开关的破坏性测试不会影响集成ADuM4223/ADuM3223端口驱动器的绝缘屏障容差。即使驱动器因输出芯片上的电流过大而损坏,也会在很小的范围内部分烧毁。过量电流通过P-MOS驱动晶体管流入隔直流电容器。因此,只有P-MOS区域熔化。

ADuM4223/ADuM3223芯片配置不允许融合区域扩散到控制芯片上,包括电气绝缘信号变压器。为了限制流向驱动器输出的电流,可以使用齐纳二极管。齐纳二极管与合适的门电阻一起使用,以在电源开关损坏时保护门驱动器。抽屉电阻器可以设计成在正常操作期间管理功率耗散,并在电源开关损坏时使驱动器绝缘。当高电压直接施加到芯片时,栅极的电阻充当熔丝。电阻器控制芯片的损坏程度,并在输出电源开关周围的小范围内控制它。

在最坏的情况下,当向输出芯片施加高功率时,在驱动器输出引脚附近可能发生小规模损坏。该测试不影响绝缘电阻。在初级侧,在最坏的情况下,当电源电压显着高于绝对最大额定值时,电源电压引脚周围会发生小范围的损坏。在所有电气过载测试中都没有出现绝缘功能减弱的迹象。随后的高压绝缘测试检查电绝缘的电阻。芯片的适当结构和驱动封装内芯片的配置可以防止突发电压扩散到微变压器的高压绝缘层中。

参考文献

1 Baoxing Chen,Bernhard Strzalkowski。 “带微型变压器的绝缘栅极驱动器。” ECPE Workshop“电源开关周围的电子元件”。 2011年6月29日。

2 Andreas Volke,Michael Hornkamp和Bernhard Strzalkowski。 “基于IC无铁芯变压器2ED020I12-F的IGBT/MOSFET应用。” 2004年纽伦堡PCIM会议记录2004年。

3 SLLA198,“ISO72x系列高速数字隔离器”。德州仪器。

4 Bernhard Strzalkowski。 “采用微变压器技术的高性能IGBT驱动器可提供出色的绝缘性能。” PCIM2007,纽伦堡,2007年。

5 Bernhard Strzalkowski。 “IGBT/MOSFET端口驱动器的最大功率限制提供隔离。” 2014年PCIM会议记录。

关于作者

Bernhard Strzalkowski在波兰格利维采的西里西亚理工大学和德国卡尔斯鲁厄的科技大学学习电气工程。 1989年,他获得了德国卡尔斯鲁厄大学的电气工程硕士学位。 2003年,他获得了博士学位。西里西亚理工大学电子学专业。从1989年到1996年,他在施塔恩贝格担任磁电研发工程师,负责风力涡轮机和电动/混合动力汽车的电力电子技术的开发。从1997年到2008年,他加入了慕尼黑的西门子/英飞凌,其研究和设计工作包括工业/汽车应用的集成电路。他于2009年2月加入德国慕尼黑的ADI公司,负责iCoupler的能源,数字能源和数字电源管理以及iCoupler应用。它支持欧洲汽车/通信基础设施客户,并获得了许多与电力电子行业相关的专利。他是ICE和VDE标准委员会以及PCIM顾问委员会的成员。

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