高壓柵極驅(qū)動器注意事項
　　碳化硅(SiC) 電源模塊為高壓應(yīng)用的傳統(tǒng)硅 (Si) 器件提供了極具吸引力的替代方案。 SiC 材料具有高擊穿電壓和在高開關(guān)頻率下工作的能力，有助于大幅提高功率密度。這一改進(jìn)不僅提高了電力電子系統(tǒng)的整體效率，而且還通過降低復(fù)雜性來簡化其設(shè)計。
　　柵極驅(qū)動對于提高功率器件的高速開關(guān)能力至關(guān)重要。在當(dāng)前的電力電子系統(tǒng)中，多個功率晶體管并聯(lián)，導(dǎo)致負(fù)載不平衡問題。電流源柵極驅(qū)動器 (CSGD) 可以靈活地在每個功率晶體管的開關(guān)事件的各個階段修改柵極電流。此功能對于電壓源柵極驅(qū)動器 (VSGD) 特別有利，尤其是當(dāng)功率晶體管老化并經(jīng)歷其電氣特性和開關(guān)行為的變化時。
　　與傳統(tǒng)設(shè)備不同，作者1在博世開發(fā)的柵極驅(qū)動器測試芯片可以在三個可編程間隔和柵極電流水平的指導(dǎo)下修改其換向中期的驅(qū)動強度。此功能允許電路獨立微調(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)過程可分為四個階段。從時間 t0 到 t1，柵極驅(qū)動電路填充柵極-源極 (C GS ) 和柵極-漏極 (C GD ) 電容，直到柵極電壓達(dá)到閾值電壓 (V th )。在 t1 和 t2 之間，當(dāng)柵源電壓 (V GS ) 超過 V th 時，它會啟動漏極電流，終成為初級電流，同時繼續(xù)對 C GS和 C GD充電。柵極電壓的上升增大了漏極電流，直到柵極電壓在t2處與米勒電壓V GS(pl)一致。
　　從t2到t3，由于米勒效應(yīng)，柵極電壓穩(wěn)定在V GS(pl) ，保持穩(wěn)定狀態(tài)。在此階段，主柵極電流流過 MOSFET，漏極電壓達(dá)到其導(dǎo)通閾值。在此期間，恒定柵極電壓將驅(qū)動電流引導(dǎo)至 CGD 而不是 CGS。在此時間范圍內(nèi) C GD (Q GD )中收集的電荷等于流向柵極電路的電流乘以電壓降持續(xù)時間 (t3-t2)。
　　，從 t3 到 t4，柵極電壓被驅(qū)動至過飽和狀態(tài)，對 C GS和 C GD充電，直到 V GS與柵極電源電壓匹配。由于導(dǎo)通瞬態(tài)已經(jīng)完成，MOSFET 在一段時間內(nèi)沒有出現(xiàn)開關(guān)損耗。
　　參數(shù)識別（PI）模式
　　在博世開發(fā)的 CSGD IC 1中，PI 已作為專用操作模式（“PI 模式”）實現(xiàn)。該模式使 IC 能夠評估影響開關(guān)過程的功率半導(dǎo)體的各種參數(shù)值，旨在單獨分析每個柵極通道，從而確定每個功率半導(dǎo)體芯片的特性。
　　PI 模式的激活是通過低壓 (LV) 通信接口發(fā)送的命令啟動的，該命令將 ASIC 的狀態(tài)設(shè)置為特定的 PI 狀態(tài)。一旦激活，PI 過程就會利用可配置的恒定柵極電流源進(jìn)行測量，包括設(shè)置 ADC 偏移的選項。該偏移確定 ADC 對柵極電壓進(jìn)行采樣的電壓范圍，確保測量中不考慮該范圍之外的值。這種靈活性允許根據(jù)分析的具體要求在單個門輸出或輸出組合上進(jìn)行 PI。
　　PI 過程的結(jié)果被捕獲并傳輸?shù)?MCU，其中進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理提取必要的參數(shù)。準(zhǔn)確識別這些參數(shù)的能力對于優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)功率半導(dǎo)體的性能、確保柵極驅(qū)動高效可靠的運行至關(guān)重要。
　　需要注意的是，一些市售的 VSGD 器件具有柵極閾值監(jiān)控功能，旨在評估功率晶體管在啟動階段的柵極導(dǎo)通電壓。這一動作啟動恒流源對功率晶體管柵極電容的充電，導(dǎo)致柵極電壓穩(wěn)定增加。當(dāng)晶體管開始導(dǎo)通時，其柵極電壓穩(wěn)定在閾值水平。在預(yù)定的消隱期之后，內(nèi)置電壓感測對穩(wěn)定的柵極電壓進(jìn)行采樣并將該數(shù)據(jù)記錄在寄存器中。記錄的測量值代表實際柵極電壓的按比例縮小的值。
　　雖然這一概念可用于識別柵極導(dǎo)通電壓的變化或容差，但 VSGD 器件中實現(xiàn)的方法無法確定完成開關(guān)事件的單個片段所需的柵極電荷的變化。此外，無法識別米勒高原區(qū)域的變化。這一概念可能能夠識別功率晶體管導(dǎo)通電壓的顯著變化或漂移，但其輸出可能不夠準(zhǔn)確，無法有效調(diào)整柵極驅(qū)動強度或柵極驅(qū)動電流分布。
　　通過參數(shù)識別 (PI) 進(jìn)行優(yōu)化
　　PI 的主要用途之一是調(diào)整 CSGD 柵極驅(qū)動器的電流分布。通過準(zhǔn)確識別柵極電荷特性（Q GS、Q GD、Q ON），可以定制柵極驅(qū)動信號，以限度地減少開關(guān)損耗、減少電磁干擾 (EMI) 并優(yōu)化開關(guān)速度，從而直接提高系統(tǒng)的效率和耐用性。
　　在 VSGD 柵極驅(qū)動器中，PI 輸出可以指導(dǎo)柵極驅(qū)動強度選擇，使其更適合嵌入式系統(tǒng)中的實際條件，而不是設(shè)計階段的條件。
　　PI 還可以通過預(yù)測功率器件在各種工作條件下（尤其是在開啟事件期間）的熱行為來幫助進(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，并降低過熱風(fēng)險，從而提高系統(tǒng)可靠性和使用壽命。
　　此外，通過PI獲得的參數(shù)可以監(jiān)控電力設(shè)備的磨損或故障，從而實現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)并延長系統(tǒng)壽命。對于先進(jìn)的電力電子系統(tǒng)，PI 數(shù)據(jù)可用于實施自適應(yīng)控制算法，根據(jù)識別的參數(shù)實時調(diào)整系統(tǒng)運行。
　　數(shù)據(jù)采集
　　PI 方法預(yù)見了數(shù)據(jù)采集模式，隨后是評估階段。在數(shù)據(jù)采集模式下，從系統(tǒng)捕獲原始數(shù)據(jù)或參數(shù)，然后按照以下關(guān)鍵階段進(jìn)行分析：
　　初始化：此階段的正確配置對于確保系統(tǒng)準(zhǔn)確調(diào)整以捕獲所需數(shù)據(jù)至關(guān)重要
　　數(shù)據(jù)采集??：數(shù)據(jù)采集從啟動命令開始，根據(jù)預(yù)定義的觸發(fā)器或條件（“段”）捕獲一組初始數(shù)據(jù)點。后續(xù)步驟（“第二部分”）繼續(xù)在擴(kuò)展條件下收集數(shù)據(jù)，以收集更全面的數(shù)據(jù)集
　　數(shù)據(jù)傳輸：此階段涉及將收集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚砘虼鎯卧?，維護(hù)數(shù)據(jù)的完整性和可用性以供進(jìn)一步分析或決策過程。 MCU 的原始數(shù)據(jù)處理得出關(guān)鍵參數(shù)，確保通過 ASIC 的 PI 模式對電源模塊的功能進(jìn)行全面評估。
　　PI模式評估
　　PI 模式評估檢查環(huán)境溫度變化、不同漏源電壓 V DS電平、PI 充電電流配置以及不同恒定電阻負(fù)載所執(zhí)行的漏極電流變化等參數(shù)。
　　對汽車牽引逆變器應(yīng)用的功率模塊進(jìn)行的測量表明，柵極電流的增加會導(dǎo)致柵源電壓曲線的開啟階段更快完成。
　　結(jié)果表明，漏極至源極電壓的上升導(dǎo)致米勒平臺區(qū)域的拉長，而恒定的漏極電流變化導(dǎo)致米勒平臺的垂直漂移。晶體管溫度升高導(dǎo)致米勒平臺電壓水平降低。
　　下表列出了同一電源模塊在不同環(huán)境條件下進(jìn)行 PI 時測得的充電值。該數(shù)據(jù)可以通過 MCU 算法進(jìn)行處理，以檢測相關(guān)趨勢和操作條件。

　　結(jié)論
　　在柵極驅(qū)動器 IC 中實施 PI 模式代表了實際牽引逆變器應(yīng)用中半導(dǎo)體測試和評估的重大進(jìn)步。 PI 模式為理解和增強電源模塊性能提供了通用的基礎(chǔ)基礎(chǔ)，允許分析和識別產(chǎn)品使用壽命期間電源模塊特性的趨??勢或變化。