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基于ST L9502+ADP450120W3的主驱逆变器双脉冲测试
来源:Arrow 发布:2023/11/24 浏览量:300

第三代半导体SiC凭借禁带宽度大、击穿电场高、热导率大等特性,将对电力电子行业产生的革命性影响。目前SiC已经用于太阳能,UPS,电源等领域,并逐步进入汽车逆变器市场,它可以使系统效率更高,输出功率更大,系统尺寸更小,散热更加简单。2018年,特斯拉率先使用全碳化硅方案后,碳化硅器件开始成为市场发展的热点,随着近几年新能源汽车的大力发展,汽车将成为碳化硅市场的主要驱动力。

第三代半导体SiC凭借禁带宽度大、击穿电场高、热导率大等特性,将对电力电子行业产生的革命性影响。目前SiC已经用于太阳能,UPS,电源等领域,并逐步进入汽车逆变器市场,它可以使系统效率更高,输出功率更大,系统尺寸更小,散热更加简单。2018年,特斯拉率先使用全碳化硅方案后,碳化硅器件开始成为市场发展的热点,随着近几年新能源汽车的大力发展,汽车将成为碳化硅市场的主要驱动力。

 

运用SiC材料可以提升整个系统的效率指标,从而进行整车系统优化,达到续航里程的提升。根据相关测试结果分析,采用SiC材料的逆变器组件与Si基功率器件相比,控制器体积可以减少1/5,重量减轻35%,电力损耗从20%降低到5%,效率达到99%以上,整车续航里程提升5%以上,社会经济效益十分明显。

 

如图1所示为主驱逆变器原理框图,使用6ST新推出的隔离栅极驱动器L9502组成的主驱逆变器典型应用。6PWM通过隔离栅极驱动器L9502驱动ADP450120W31200V450A RDS(ON)1.9mΩSiC模块带动电机,从而对电机转速和扭矩进行调整。  

                                                                                图1 主驱逆变器原理框图
  

从图中可以看出L9502集成Flyback反激控制器只需要在外围搭建隔离变压器开关MOSRCD器件即可为副边提供正负电源用于隔离驱动,同时省去了Flyback控制芯片。L9502还具母线电压采样功能,只需将分压后的母线电压由L9502进行采样,然后转换成频率信号由L9502ADCOUT引脚输出对应占空比的PWM信号到低压边或者使用SOC命令直接通过SPI读取电压采样值,这样的设计可以提高采样精度同时精简电路省去直流电压隔离传感器。

 

2是实测驱动板顶视图,主要由六路L9502驱动及Flyback电路,母线电压采样,电流采样,SiC模块温度采样fault指示,主/被动放电等构成。

                                                                               图2 驱动板顶
  
主要产品介绍
  
L9502    
  

L9502的体系结构通过真正的电流隔离将通道与控制和低压接口电路隔离。栅极驱动器具有最小10A的拉灌电流能力,强劲的驱动能力在应用中可以省去副边推挽输出的两颗BJT为布板节省空间。低压侧供电兼容3.3V5VMCU平台。

 

输出驱动器部分提供了轨到轨输出并带有flyback控制器,可以为副边提供正负电源,大大简化外围电路设计。从输入到输出传播延迟结果包含在45 ns之内,极短的传播延时,提供了高PWM控制精度。具备VGS Monitor监控输出状态是否正确,如果有误会进行保护并上报故障。

 

L9502的保护功能包括高压侧供电多级可选UVLOOVLO的过欠压检测,参数可调型死区插入保护,VCE过压保护,米勒钳位(Miller Clamp),去饱和检测,直通保护,输出混合关断(两级关断),过温保护等,可轻松设计高可靠性系统。

图三 L9502系统框架图及其封装外形

 

L9502DISBRAKE引脚分别是高低压侧具有可编程安全状态的快速关断PWM路径,进去安全状态。具有Hybrid Turn Off (HTO)两级关断和软关断,可以在复杂的环境下保证安全可靠的关断,避免干扰触发系统故障。符合功能安全标准ISO26262,满足系统级功能安全需求ASIL-D

    

实际应用条件下的阈值电压漂移(VGS(th))一直是SiC的关注重点,L9502还具备VGS阈值测量功能,在启动时测量Vth确保设备状态正常工作。

   

L9502同时存在开漏诊断输出,有7通道10位隔离ADC采样,可以对副边如:模块温度、直流母线电压进行采样精度可以做到1%,同时可以监控可以通过SPI监视详细的设备状态。每个功能的参数都可以通过具有增强安全性的5MHz SPI接口进行编程,从而使该器件非常灵活,并使其适合各种应用。

   

ADP450120W3

  

STACEPACK DRIVE是一款非常紧凑的直接水冷高性能SiC功率模块,针对混合动力和电动汽车进行了优化。该模块基于碳化硅功率MOSFET实现开关,基准电流密度与出色的轻负载功率耗损相结合,有助于提高系统效率。该模块的最大持续直流能力为450A,最高耐压1200V,导通电阻1.9mΩ,耐温175℃,带3NTC温度传感器。在主驱逆变器的应用表现出比较明显的优势,具有高效、高功率密度、高可靠性、高安全性以及成本竞争力强等诸多优点。

ACEPACK DRIVE封装模型

  

在此针对ADP450120W3SiC功率模块以L9502为驱动芯片设计的驱动板搭建双脉冲测试系统进行双脉冲实验,测试其开关特性、开通关断损耗、杂散电感等。 

     

双脉冲系统搭建

  

根据双脉冲测试原理所需设备如下表所示:

示波器
测量VGE电压, VCE电压、Ids 电流
高压差分探头/低压探头
测量VGE电压, VCE电压
罗氏线圈(电流探头)        
测量 IDS 电流
直流高压电源
提供直流高压
低压直流电源
提供低压弱电
CAN盒
通讯设备
隔离变压器
低压和高压电源之间的隔离
空芯电感
作为负载调节输出电流

  

首先,将控制板和驱动板通过排线连接,然后将DC-Link与被测相V相通过空心电感进行连接,使用低压探头测量下桥臂VGE使用高压差分探头测量下桥臂VCE波形,再将罗氏线圈夹在下桥集电极处测量IC波形,再将12V电源连接至控制板上,测试电脑和控制板使用隔离CAN线进行连接。

  

   

 

使用以下加电序列,断电序列与之相反。

  1. 控制板12V电压
  2. 驱动板800V电压

   

双脉冲测试过程中需要注意的事项:

  1. 电压电流探头的量程在保证安全的情况下尽量选小,可以减小测量误差。
  2. 电压探头(低压普通探头)尽可能的使用最小环路的方式测量波形,可以降低动态参数在测量过程中的干扰。高压差分探头测量时要采用双绞来减少共模噪声的干扰。除了使用电压探头或差分探头测量下桥的波形以外,还可以使用光隔离探头测量上桥的驱动波形,以获取更准确的上桥波形。
  3. 在测量前对示波器进行校准,降低电压探头与电流间的延迟(主要是对开通损耗及关断损耗的测量误差的影响),设置合适的带宽。
  4. 上电顺序同样很重要,上电时要让弱电先上,在强电不上的情况下检查驱动是否正常,确认后再上强电。断电时要让强电先下,当强电电压降至0V后再断开弱电,防止误动作。
  5. 由于SiC modulePCB布局,上管及下管杂散电感参数不一致,所以需要分别测量每一组参数。针对不同的参数做细微的调整。  

 

脉冲宽度及空心电感量计算:

如下图所示是门极驱动信号Vge主要由T1, T2, T3组成。根据经验T1+T3一般≤100us,测试IC电流时主要关注的是第一个脉冲开通时的电流利用公式:

 

可以计算出空心电感的电感量,例如测试800V IC=800A时,如T1时间设置为10us,那么可以计算得出所需电感量L=10uH(需要注意的是T1具有最小脉宽的限制,STL9502最小脉冲不能小于2us)。

 

下图是整体的实测波形,测试条件Udclink=800V IC=735A t=15uS

 

Turn-onVgeIC波形   

 

上图是SiC module V相下桥栅极开通时的波形,当门极电压VGS达到门槛电压VGS(th)时,SiC-MOS开通,IC开始增加,直到IC基本达到电感电流。通过观察SIC在极限工作模式下的栅极开通波形,米勒平台的震荡IC电流的抬升过程;对比SiC module在相同VDClink电压、相同工作环境、不同输出电流下最合适的开通Rgon及关断电阻Rgoff,通过上图可以看出SiC module td _on=152nS td off=296nS开关速度较快,快速的开通关断可以降低开关损耗,提升系统效率及功率密度。

 

Turn-onVCEIC波形

 

通过测量可以得到SiC module开通过程中IC电流的di/dt和开通时VCE电压的抬升ΔU;可以通过如下公式计算得到环路上的杂散电感。  

 

通过更改测试点可以得到叠层母排上的杂散电感。

测量计算可以得到ST SiC module的杂散电感小于10nHST ADP450120W3功率模块其内部布局优化,杂散电感极小。

开通关断损耗由外部匹配参数决定,根据数据手册获取到的参考值如下:

 

通过更改不同的T1/T3的时间可以得到在同样800V母线电压不同的输出电流情况下SiC模块的开通及关断损耗,再与实际的工况相结合,这样才能更好地了解该功率器件的特性及其应用边界。下图中分别是ST SiC-module ADP450120W3800V电压不同电流情况下的开通及关断损耗。

 

 

备注:上述两组Turn ON Turn Off 的开通关断损耗数据均在Rg_on=3.3Ω, Rg_off=5Ω, Cg=15nF L=15uH, Udc_link=800V条件下测得。其中参数的改变都会影响EonEoff的数据,给出的数据仅供参考。

 

总结

 

通过双脉冲测试数据SiC module ADP450120W3的杂散电感小于10nH其极低的杂散电感有助于降低SiC VGE之间的尖峰电压,从而减小缓冲电路的压力。意法半导体(ST)L9502其强大的驱动能力,高安全性,高可靠性,灵活的配置,高度的集成性使得驱动板尺寸可以做到:125.4mm*203mm即可驱动SiC-module ADP450120W3第三代半导体模块使其在800VDC下额定输出250A,峰值输出电流达到725A;从EOn 及EOff两组数据中可以看出SiC module ADP450120W3低Eon+Eoff和低Rdson特性,保证最小的开关损耗。加上ADP450120W3直接水冷高效散热方式大幅度提高主驱逆变器的功率密度、提升系统的转换效率,表现出高可靠性、高安全性。

碳化硅
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