如何通過創(chuàng)新的參數(shù)識(shí)別(PI)方法優(yōu)化功率模塊性能？

在最近舉行的PCIM Europe 2024會(huì)議上，介紹了一種通過在高壓門驅(qū)動(dòng)器中實(shí)施參數(shù)識(shí)別(PI)模式來優(yōu)化功率模塊性能的新方法。將參數(shù)識(shí)別功能集成到門驅(qū)動(dòng)器中的結(jié)果顯示，在能源效率和系統(tǒng)穩(wěn)健性方面具有顯著的好處。

高壓門驅(qū)動(dòng)器的考慮因素

碳化硅(SiC)功率模塊為高壓應(yīng)用提供了一個(gè)引人注目的替代傳統(tǒng)硅(Si)設(shè)備的選擇。由于其高擊穿電壓和在高開關(guān)頻率下運(yùn)行的能力，SiC材料大幅提高了功率密度。這一改善不僅增強(qiáng)了功率電子系統(tǒng)的整體效率，還通過減少設(shè)計(jì)的復(fù)雜性來簡(jiǎn)化其設(shè)計(jì)。

門驅(qū)動(dòng)對(duì)于提升功率器件的高速開關(guān)能力至關(guān)重要。在當(dāng)前的功率電子系統(tǒng)中，多個(gè)功率晶體管通常并聯(lián)連接，導(dǎo)致負(fù)載不平衡問題。恒流源門驅(qū)動(dòng)器(CSGD)提供了在每個(gè)功率晶體管的開關(guān)事件的不同階段修改門電流的靈活性。這一能力在功率晶體管老化并經(jīng)歷電氣特性和開關(guān)行為變化時(shí)，尤其優(yōu)于電壓源門驅(qū)動(dòng)器(VSGD)。

與傳統(tǒng)設(shè)備不同，博世開發(fā)的門驅(qū)動(dòng)測(cè)試芯片可以在換向過程中調(diào)整其驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度，受三個(gè)可編程時(shí)間間隔和門電流水平的指導(dǎo)。此特性使電路能夠獨(dú)立微調(diào)電流和電壓換向的開關(guān)速度。

門充電

如圖1所示，MOSFET的開關(guān)過程可以分為四個(gè)階段。從時(shí)間t0到t1，門驅(qū)動(dòng)電路充滿了門源(CGS)和門漏(CGD)電容，直到門電壓達(dá)到閾值電壓(Vth)。在t1到t2之間，門源電壓(VGS)超過Vth，開始引導(dǎo)漏電流流動(dòng)，最終成為主電流，同時(shí)繼續(xù)充電CGS和CGD。門電壓的上升促進(jìn)了漏電流的增加，直到在t2時(shí)門電壓與米勒電壓VGS(pl)一致。

在t2到t3之間，由于米勒效應(yīng)，門電壓穩(wěn)定在VGS(pl)，保持穩(wěn)定狀態(tài)。在此階段，主門電流通過MOSFET流動(dòng)，并且漏電壓達(dá)到其開啟閾值。在此時(shí)間段內(nèi)，恒定的門電壓將驅(qū)動(dòng)電流引導(dǎo)至CGD而非CGS。在此時(shí)間段內(nèi)，CGD中收集的電荷(QGD)等于通向門電路的電流與電壓降持續(xù)時(shí)間(t3-t2)的乘積。

最后，從t3到t4，門電壓被驅(qū)動(dòng)到超飽和狀態(tài)，充電CGS和CGD，直到VGS與門供電電壓匹配。由于開啟瞬態(tài)已完成，因此在此最后階段MOSFET未經(jīng)歷任何開關(guān)損耗。

參數(shù)識(shí)別(PI)模式

在博世最新開發(fā)的CSGD集成電路中，PI作為專用操作模式(“PI模式”)得到了實(shí)施。該模式使集成電路能夠評(píng)估影響開關(guān)過程的功率半導(dǎo)體的各種參數(shù)值，旨在單獨(dú)分析每個(gè)門通道，從而精確確定每個(gè)功率半導(dǎo)體芯片的特性。

PI模式的激活通過低電壓(LV)通信接口發(fā)送指令啟動(dòng)，將ASIC狀態(tài)設(shè)置為特定的PI狀態(tài)。一旦激活，PI過程利用可配置的恒定門電流源進(jìn)行測(cè)量，包括設(shè)置ADC偏移的選項(xiàng)。該偏移決定了ADC將采樣的門電壓電壓范圍，確保超出該范圍的值不被納入測(cè)量。這種靈活性使PI可以在單個(gè)門輸出或多個(gè)輸出的組合上進(jìn)行，具體取決于分析的要求。

PI過程的結(jié)果被捕獲并傳輸?shù)?a target="_blank">MCU，進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理提取必要的參數(shù)。準(zhǔn)確識(shí)別這些參數(shù)的能力對(duì)于優(yōu)化系統(tǒng)中功率半導(dǎo)體的性能至關(guān)重要，確保門驅(qū)動(dòng)的高效和可靠運(yùn)行。

需要注意的是，一些市售的VSGD設(shè)備具有門閾值監(jiān)控功能，旨在評(píng)估功率晶體管在啟動(dòng)階段的門開啟電壓。該過程通過恒定電流源啟動(dòng)功率晶體管的門電容充電，導(dǎo)致門電壓穩(wěn)步上升。當(dāng)晶體管開始導(dǎo)通時(shí)，其門電壓穩(wěn)定在閾值水平。經(jīng)過預(yù)定的消隱期后，內(nèi)置電壓傳感器取樣穩(wěn)定的門電壓并將該數(shù)據(jù)記錄在寄存器中。所記錄的測(cè)量值代表實(shí)際門電壓的縮放值。

雖然這個(gè)概念可以用于識(shí)別門開啟電壓的變化或公差，但VSGD設(shè)備中實(shí)施的方法無法確定通過開關(guān)事件單個(gè)段所需的門電荷變化。此外，米勒平臺(tái)區(qū)域的變化也無法識(shí)別。這個(gè)概念可能能夠識(shí)別功率晶體管開啟電壓的顯著變化或漂移，但其輸出可能不夠準(zhǔn)確，無法有效地調(diào)整門驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度或門驅(qū)動(dòng)電流曲線。

通過參數(shù)識(shí)別(PI)進(jìn)行優(yōu)化

PI的一個(gè)主要用途是為CSGD門驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)電流曲線。通過準(zhǔn)確識(shí)別門電荷特性(QGS、QGD、QON)，可以定制門驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以最小化開關(guān)損耗，減少電磁干擾(EMI)，并優(yōu)化開關(guān)速度，從而直接促進(jìn)系統(tǒng)的效率和耐用性。

在VSGD門驅(qū)動(dòng)器中，PI輸出可以指導(dǎo)門驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度的選擇，使其更適應(yīng)嵌入式系統(tǒng)中的實(shí)際條件，而非設(shè)計(jì)階段的條件。

PI還通過預(yù)測(cè)功率器件在各種工作條件下的熱行為，特別是在開啟事件期間，幫助進(jìn)行熱管理。這些信息可以優(yōu)化熱管理策略，平衡不同并聯(lián)開關(guān)晶體管之間的負(fù)載，并減少過熱風(fēng)險(xiǎn)，從而提高系統(tǒng)的可靠性和壽命。

此外，通過PI獲得的參數(shù)可以監(jiān)測(cè)功率器件的磨損或故障，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)，延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命。對(duì)于先進(jìn)的功率電子系統(tǒng)，PI數(shù)據(jù)可用于實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制算法，根據(jù)識(shí)別的參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行。

數(shù)據(jù)采集

PI方法預(yù)見了一個(gè)數(shù)據(jù)采集模式，隨后是評(píng)估階段。在數(shù)據(jù)采集模式下，系統(tǒng)捕獲原始數(shù)據(jù)或參數(shù)，然后根據(jù)以下關(guān)鍵階段進(jìn)行分析：

初始化：此階段的適當(dāng)配置對(duì)于確保系統(tǒng)準(zhǔn)確調(diào)諧以捕獲所需數(shù)據(jù)至關(guān)重要。

數(shù)據(jù)采集：數(shù)據(jù)收集始于開始命令，基于預(yù)定義的觸發(fā)器或條件捕獲初始數(shù)據(jù)點(diǎn)集(“第一段”)。隨后的步驟(“第二段”)在擴(kuò)展條件下繼續(xù)數(shù)據(jù)收集，以獲取更全面的數(shù)據(jù)集。

數(shù)據(jù)傳輸：此階段涉及將收集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚砘虼鎯?chǔ)單元，保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性和可用性，以便于進(jìn)一步分析或決策過程。MCU對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，推導(dǎo)出關(guān)鍵參數(shù)，確保通過ASIC的PI模式對(duì)功率模塊功能進(jìn)行全面評(píng)估。

PI模式評(píng)估

PI模式評(píng)估檢查的參數(shù)包括環(huán)境溫度變化、不同的漏源電壓VDS水平、PI充電電流配置以及不同恒定阻性負(fù)載引起的漏電流變化。

在針對(duì)汽車牽引逆變器應(yīng)用的功率模塊上進(jìn)行的測(cè)量顯示，門電流的增加導(dǎo)致門源電壓曲線的開啟階段更快完成。

結(jié)果表明，漏源電壓的上升導(dǎo)致米勒平臺(tái)區(qū)域延長(zhǎng)，而恒定漏電流的變化引起米勒平臺(tái)的垂直漂移。晶體管溫度的上升則導(dǎo)致米勒平臺(tái)電壓水平降低。

在不同環(huán)境條件下對(duì)同一功率模塊進(jìn)行PI時(shí)測(cè)得的電荷值列在下表中。這些數(shù)據(jù)可以通過MCU算法進(jìn)行處理，以檢測(cè)相關(guān)趨勢(shì)和操作條件。

結(jié)論

在門驅(qū)動(dòng)器集成電路中實(shí)施PI模式，代表了半導(dǎo)體測(cè)試和評(píng)估在實(shí)際牽引逆變器應(yīng)用中的重大進(jìn)展。PI模式為理解和提升功率模塊性能提供了多功能的基礎(chǔ)，能夠分析和識(shí)別功率模塊特性在產(chǎn)品使用生命周期中的趨勢(shì)或變化。

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