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摘要
本文通過(guò)故意損壞IGBT/MOSFET功率開關(guān)來(lái)研究柵極驅(qū)動(dòng)器隔離柵的耐受性能。
在高度可靠、高性能的應(yīng)用中，如電動(dòng)/混合動(dòng)力汽車，隔離柵級(jí)驅(qū)動(dòng)器需要確保隔離柵在所有情況下完好無(wú)損。隨著Si-MOSFET/IGBT不斷改進(jìn)，以及對(duì)GaN和SiC工藝技術(shù)的引進(jìn)，現(xiàn)代功率轉(zhuǎn)換器/逆變器的功率密度不斷提高。因此，需要高度集成、耐用的新型隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器。這些驅(qū)動(dòng)器的電隔離裝置體積小巧，可集成到驅(qū)動(dòng)器芯片上。這種電隔離可以通過(guò)集成高壓微變壓器或電容器來(lái)實(shí)現(xiàn)。1, 2, 3 一次意外的系統(tǒng)故障均可導(dǎo)致功率開關(guān)甚至整個(gè)功率逆變器損壞和爆炸。因此，需要針對(duì)高功率密度逆變器研究如何安全實(shí)施柵級(jí)驅(qū)動(dòng)器的隔離功能。必須測(cè)試和驗(yàn)證最壞情況下（功率開關(guān)被毀壞）隔離柵的可靠性。
簡(jiǎn)介
在最壞的情況下，即高功率MOSFET/IGBT發(fā)生故障時(shí)，逆變器幾千μF的電容組會(huì)快速放電。釋放的電流會(huì)導(dǎo)致MOSFET/IGBT損壞、封裝爆炸、等離子體排出到環(huán)境中。4 一部分進(jìn)入柵級(jí)驅(qū)動(dòng)電路的電流會(huì)導(dǎo)致電氣過(guò)載。5 由于功率密度極高，所以在制作驅(qū)動(dòng)器芯片時(shí)，需要保證即使芯片本身出現(xiàn)故障，仍然能夠保持電隔離。
高度集成的現(xiàn)代柵級(jí)驅(qū)動(dòng)器的構(gòu)建
芯片級(jí)隔離采用平面微變壓器方法來(lái)提供電隔離。它采用晶圓級(jí)技術(shù)制造 ，配置為半導(dǎo)體器件大小。1iCoupler?通道內(nèi)含兩個(gè)集成電路(IC)和多個(gè)芯片級(jí)變壓器（圖1）。隔離層提供隔離柵，將每個(gè)變壓器的頂部和底部線圈隔開（圖2）。數(shù)字隔離器采用厚度至少為20 μm的聚酰亞胺絕緣層，在晶圓制造工藝中放置在平面變壓器線圈之間。這種制造工藝以低成本將隔離元件與任何晶圓半導(dǎo)體工藝集成，實(shí)現(xiàn)出色的質(zhì)量和可靠性。圖2的剖面圖顯示了被較厚的聚酰亞胺層隔開的頂部和底部線圈的匝數(shù)。
圖1.MOSFET半橋驅(qū)動(dòng)器ADuM3223的芯片配置。
封裝內(nèi)的分接引線框架完成隔離。當(dāng)柵級(jí)驅(qū)動(dòng)器輸出芯片因功率開關(guān)爆炸損壞時(shí)，內(nèi)部芯片分區(qū)和配置必須確保隔離層完好無(wú)損。為確保柵級(jí)驅(qū)動(dòng)器不受損壞，采取了以下幾種保護(hù)措施：
圖2.ADuM3223：微變壓器橫截面。
ADuM3223 柵級(jí)驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部芯片配置（圖1）展示了一種芯片配置示例，它能夠在極端電氣過(guò)載時(shí)避免發(fā)生電隔離故障。
仿真最糟糕的逆變器故障情況的破壞性試驗(yàn)
構(gòu)建一個(gè)385 V和750 V兩級(jí)電壓的測(cè)試電路，用來(lái)模擬真實(shí)的功率逆變器情形。在采用110 V/230 V ac電網(wǎng)，需要實(shí)施功率因素校正的系統(tǒng)中，385 V電壓電平極為常見。在使用額定擊穿電壓為1200 V的開關(guān)的驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，對(duì)于所使用的高功率逆變器而言，750 V電壓電平極為常見。 在破壞性試驗(yàn)中，會(huì)接通由功率開關(guān)和適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)器組成的逆變器橋臂，直到開關(guān)出現(xiàn)故障。破壞過(guò)程中的波形會(huì)被記錄下來(lái)，以確定流入柵級(jí)驅(qū)動(dòng)器芯片的電平。試驗(yàn)研究了幾種保護(hù)措施，以便限制流入柵級(jí)驅(qū)動(dòng)器電路的擊穿電流。破壞性試驗(yàn)中用到了多種IGBT和MOSFET。
控制MOSFET/IGBT損壞程度的測(cè)試電路
為了實(shí)施IGBT/MOSFET驅(qū)動(dòng)器電氣過(guò)載測(cè)試（EOS測(cè)試），構(gòu)建了一個(gè)非常接近真實(shí)情況的電路。該電路中包含適用于5 kW至20 kW功率范圍逆變器的電容和電阻。軸向型柵極電阻Rg采用2 W額定功率的金屬電阻。為了避免電流從高壓電路反向進(jìn)入外部電源，采用了一個(gè)阻流二極管D1。這也反映了真實(shí)情況，因?yàn)楦?dòng)電源包括至少一個(gè)整流器（即自舉電路）。高壓電源(HV)通過(guò)包括充電電阻Rch和開關(guān)S1的電路為電解電容塊充電。 實(shí)施EOS測(cè)試時(shí)，采用500μs開啟信號(hào)來(lái)控制輸入VIA或VIB。開啟信號(hào)通過(guò)微隔離進(jìn)行傳輸，會(huì)造成短路，并損毀功率晶體管T1。在某些情況下，會(huì)出現(xiàn)晶體管封裝爆炸。
共采用四種功率開關(guān)（兩級(jí)電壓）來(lái)仿真逆變器的損壞情況。針對(duì)特定開關(guān)類型實(shí)施的首次測(cè)試先后在不采用和采用功率限制電路的情況下進(jìn)行。為了限制損壞階段流入驅(qū)動(dòng)器電路的電流，有些測(cè)試直接在驅(qū)動(dòng)器輸出引腳處配置了齊納二極管Dz（BZ16，1.3 W）。此外，還研究了各種不同的柵級(jí)電阻值。
圖3.用于測(cè)量功率開關(guān)損壞對(duì)隔離耐受性能影響的ADuM4223的EOS電路布局。
圖4.用于確定隔離耐受度功率限制的ADuM4223的EOS電路布局。
圖5.最糟糕情況下（輸入和輸出芯片直接承受電流時(shí)）ADuM4223的EOS電路。 無(wú)功率限制柵級(jí)驅(qū)動(dòng)電路直接受損測(cè)試電路
還進(jìn)行了另一項(xiàng)仿真最壞情況的實(shí)驗(yàn)，其中柵級(jí)驅(qū)動(dòng)器的輸入和輸出芯片直接承受擊穿電流(destructive energy)。在這次破壞性試驗(yàn)中，將充滿電的大容量電容直接連接到柵級(jí)驅(qū)動(dòng)器的輸出引腳（圖4）。該試驗(yàn)展示了可能出現(xiàn)的最嚴(yán)重的過(guò)載情形，從而檢驗(yàn)其隔離功能耐受性。電流直接流入驅(qū)動(dòng)電路，而柵級(jí)電阻是唯一的功率限制裝置。繼電器S2將高壓耦合到柵級(jí)驅(qū)動(dòng)器輸出電路。 圖5所示為最壞情況測(cè)試，其中沒(méi)有采用任何器件限制流入輸入和輸出芯片的電流。將750 V高壓通過(guò)開關(guān)S1直接施加于輸出芯片，即在沒(méi)有限流柵級(jí)電阻的情況下，將中高壓750 V直接施加于驅(qū)動(dòng)器芯片會(huì)出現(xiàn)的最壞情況。 另一種可能的最壞情況是對(duì)驅(qū)動(dòng)器的主側(cè)控制芯片施加過(guò)高的電源電壓。推薦使用的最大輸入電源電壓為5.5 V。如果產(chǎn)生輸入電壓的DC-DC轉(zhuǎn)換器失去調(diào)節(jié)能力，其輸出電壓就會(huì)增大。失去調(diào)節(jié)作用時(shí)，轉(zhuǎn)換器的輸出電壓可以增大到一流DC-DC轉(zhuǎn)換器的2到3倍。ADuM4223輸入芯片承受的功率有限，電阻、功率開關(guān)、電感等其他設(shè)備都和往常一樣在其各自的位置。這些器件會(huì)阻礙電流流入控制芯片。為了真實(shí)模擬DC-DC轉(zhuǎn)換器故障，選擇采用15 V、1.5 A限流值的電源電壓。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
表1給出了使用圖3、圖4和圖5中的電路實(shí)施過(guò)載測(cè)試的結(jié)果。為了確定保護(hù)電路的作用，針對(duì)每個(gè)MOSFET/IGBT 功率開關(guān)類型實(shí)施了兩次測(cè)試。在9、10和11的最壞情況測(cè)試中，使用了機(jī)械開關(guān)S1和S2。
表1.不同功率開關(guān)及不同損壞條件下的破壞性試驗(yàn)
圖6.損壞SPW2460C3生成的波形圖；未發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器損壞情況。
圖7.損壞2xFDP5N50（并聯(lián)）生成的波形圖；柵級(jí)驅(qū)動(dòng)器出現(xiàn)故障。
一般情況下，齊納二極管可以幫助保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路，如表所示（對(duì)比試驗(yàn)1和試驗(yàn)2）。但是當(dāng)柵極電阻的值過(guò)小時(shí)，盡管采用了齊納二極管，驅(qū)動(dòng)器仍然會(huì)損壞（對(duì)比試驗(yàn)3和試驗(yàn)4）。
通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)2和試驗(yàn)3，以及試驗(yàn)3和試驗(yàn)4，可以估算出損害驅(qū)動(dòng)器的電流。通過(guò)試驗(yàn)5和6可以得出一個(gè)非常有趣的結(jié)論：與功率等級(jí)相同的IGBT相比，超結(jié)MOSFET似乎能顯著降低流入柵極驅(qū)動(dòng)器的功率水平。試驗(yàn)9、10和11（未限制流入控制和驅(qū)動(dòng)器芯片的電流）的目的是研究最壞情況下的隔離柵耐受性。
MOSFET和IGBT的不同破壞表現(xiàn)
破壞性試驗(yàn)展示了功率開關(guān)受損時(shí)的各種波形。圖6所示的是超結(jié)MOSFET的波形。接通電路和芯片損壞之間的時(shí)間間隔 大約是100μs。只有非常有限的電流流入驅(qū)動(dòng)器芯片，需承受過(guò)載情況。在相同的試驗(yàn)條件下，標(biāo)準(zhǔn)MOSFET產(chǎn)生的柵極電流和過(guò)壓明顯更高，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器損壞，如圖7所示。芯片損壞分析
部分柵級(jí)驅(qū)動(dòng)器封裝針對(duì)不同開關(guān)和不同測(cè)試條件，其芯片損壞情況相似。圖8所示為試驗(yàn)8中基于P-MOSFET輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)的損傷情況（表1）。在體電壓為750 V時(shí)試驗(yàn)導(dǎo)致IGBT爆炸，以及限流器件Rg和DZ損壞；但是，只能看見引腳VDDA的線焊位置附近小范圍熔化。在損壞階段，柵級(jí)過(guò)電流通過(guò)內(nèi)置的P-MOSFET二極管流入 100 μF 電容。由于過(guò)電流，線焊附近區(qū)域熔化。驅(qū)動(dòng)器芯片沒(méi)有進(jìn)一步損壞，控制芯片也沒(méi)有出現(xiàn)進(jìn)一步的隔離損壞。圖9所示為試驗(yàn)9過(guò)程中的熔融區(qū)域，其中直接將150 V高壓施加于驅(qū)動(dòng)器芯片?？刂菩酒碾姼綦x通過(guò)了本次極端過(guò)載試驗(yàn)。
圖8.柵級(jí)驅(qū)動(dòng)器芯片照片，展示了試驗(yàn)8期間的損壞位置 (ADuM4223 #1)。只有輸出芯片表面有一小塊燒壞。未發(fā)現(xiàn)隔離柵受損。
圖9.柵級(jí)驅(qū)動(dòng)器芯片照片，展示了試驗(yàn)9期間的損壞位置 (ADuM4223 #2)。極端電氣過(guò)載未能損壞控制芯片。未發(fā)現(xiàn)隔離柵受損。
圖10.柵級(jí)驅(qū)動(dòng)器芯片照片，展示了試驗(yàn)10期間的損壞位置。輸出驅(qū)動(dòng)器施加超高功率損壞了電路；大面積燒壞。但是，隔離柵未受損。 主側(cè)最壞的情況展示的是對(duì)控制芯片施加超高電源電壓的情況 關(guān)鍵字：IGBT MOSFET編輯：muyan 引用地址：http://news./manufacture/ic465389.html本網(wǎng)站轉(zhuǎn)載的所有的文章、圖片、音頻視頻文件等資料的版權(quán)歸版權(quán)所有人所有，本站采用的非本站原創(chuàng)文章及圖片等內(nèi)容無(wú)法一一聯(lián)系確認(rèn)版權(quán)者。如果本網(wǎng)所選內(nèi)容的文章作者及編輯認(rèn)為其作品不宜公開自由傳播，或不應(yīng)無(wú)償使用，請(qǐng)及時(shí)通過(guò)電子郵件或電話通知我們，以迅速采取適當(dāng)措施，避免給雙方造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。
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來(lái)自： 陸號(hào)魚 > 《驅(qū)動(dòng)》
