摘要

本文通過故意損壞IGBT/MOSFET功率開關(guān)來研究柵極驅(qū)動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/混合動力汽車，隔離柵級驅(qū)動器需要確保隔離柵在所有情況下完好無損。隨著Si-MOSFET/IGBT不斷改進(jìn)，以及對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)動器。這些驅(qū)動器的電隔離裝置體積小巧，可集成到驅(qū)動器芯片上。這種電隔離可以通過集成高壓微變壓器或電容器來實現(xiàn)。1, 2, 3 一次意外的系統(tǒng)故障均可導(dǎo)致功率開關(guān)甚至整個功率逆變器損壞和爆炸。因此，需要針對高功率密度逆變器研究如何安全實施柵級驅(qū)動器的隔離功能。必須測試和驗證最壞情況下（功率開關(guān)被毀壞）隔離柵的可靠性。

簡介

在最壞的情況下，即高功率MOSFET/IGBT發(fā)生故障時，逆變器幾千μF的電容組會快速放電。釋放的電流會導(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)入柵級驅(qū)動電路的電流會導(dǎo)致電氣過載。5 由于功率密度極高，所以在制作驅(qū)動器芯片時，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)代柵級驅(qū)動器的構(gòu)建

芯片級隔離采用平面微變壓器方法來提供電隔離。它采用晶圓級技術(shù)制造 ，配置為半導(dǎo)體器件大小。1iCoupler?通道內(nèi)含兩個集成電路(IC)和多個芯片級變壓器（圖1）。隔離層提供隔離柵，將每個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)柵級驅(qū)動器輸出芯片因功率開關(guān)爆炸損壞時，內(nèi)部芯片分區(qū)和配置必須確保隔離層完好無損。為確保柵級驅(qū)動器不受損壞，采取了以下幾種保護(hù)措施：

• 合理設(shè)置外部電路的尺寸，限制流向 柵級驅(qū)動器芯片的電流

• 在驅(qū)動器芯片上合理配置輸出晶體管

• 在芯片上合理配置微變壓器

• 合理安排控制封裝內(nèi)的驅(qū)動器芯片

圖2.ADuM3223：微變壓器橫截面。

ADuM3223 柵級驅(qū)動器的內(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載時避免發(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

構(gòu)建一個385 V和750 V兩級電壓的測試電路，用來模擬真實的功率逆變器情形。在采用110 V/230 V ac電網(wǎng)，需要實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)動應(yīng)用中，對于所使用的高功率逆變器而言，750 V電壓電平極為常見。

在破壞性試驗中，會接通由功率開關(guān)和適當(dāng)?shù)尿?qū)動器組成的逆變器橋臂，直到開關(guān)出現(xiàn)故障。破壞過程中的波形會被記錄下來，以確定流入柵級驅(qū)動器芯片的電平。試驗研究了幾種保護(hù)措施，以便限制流入柵級驅(qū)動器電路的擊穿電流。破壞性試驗中用到了多種IGBT和MOSFET。

控制MOSFET/IGBT損壞程度的測試電路

為了實施IGBT/MOSFET驅(qū)動器電氣過載測試（EOS測試），構(gòu)建了一個非常接近真實情況的電路。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，采用了一個阻流二極管D1。這也反映了真實情況，因為浮動電源包括至少一個整流器（即自舉電路）。高壓電源(HV)通過包括充電電阻Rch和開關(guān)S1的電路為電解電容塊充電。

實施EOS測試時，采用500μs開啟信號來控制輸入VIA或VIB。開啟信號通過微隔離進(jìn)行傳輸，會造成短路，并損毀功率晶體管T1。在某些情況下，會出現(xiàn)晶體管封裝爆炸。

共采用四種功率開關(guān)（兩級電壓）來仿真逆變器的損壞情況。針對特定開關(guān)類型實施的首次測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)動器電路的電流，有些測試直接在驅(qū)動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電阻值。

圖3.用于測量功率開關(guān)損壞對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）ADuM4223的EOS電路。

無功率限制柵級驅(qū)動電路直接受損測試電路

還進(jìn)行了另一項仿真最壞情況的實驗，其中柵級驅(qū)動器的輸入和輸出芯片直接承受擊穿電流(destructive energy)。在這次破壞性試驗中，將充滿電的大容量電容直接連接到柵級驅(qū)動器的輸出引腳（圖4）。該試驗展示了可能出現(xiàn)的最嚴(yán)重的過載情形，從而檢驗其隔離功能耐受性。電流直接流入驅(qū)動電路，而柵級電阻是唯一的功率限制裝置。繼電器S2將高壓耦合到柵級驅(qū)動器輸出電路。

圖5所示為最壞情況測試，其中沒有采用任何器件限制流入輸入和輸出芯片的電流。將750 V高壓通過開關(guān)S1直接施加于輸出芯片，即在沒有限流柵級電阻的情況下，將中高壓750 V直接施加于驅(qū)動器芯片會出現(xiàn)的最壞情況。

另一種可能的最壞情況是對驅(qū)動器的主側(cè)控制芯片施加過高的電源電壓。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，其輸出電壓就會增大。失去調(diào)節(jié)作用時，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。這些器件會阻礙電流流入控制芯片。為了真實模擬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。

實驗結(jié)果

表1給出了使用圖3、圖4和圖5中的電路實施過載測試的結(jié)果。為了確定保護(hù)電路的作用，針對每個MOSFET/IGBT 功率開關(guān)類型實施了兩次測試。在9、10和11的最壞情況測試中，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

圖6.損壞SPW2460C3生成的波形圖；未發(fā)現(xiàn)驅(qū)動器損壞情況。

圖7.損壞2xFDP5N50（并聯(lián)）生成的波形圖；柵級驅(qū)動器出現(xiàn)故障。

一般情況下，齊納二極管可以幫助保護(hù)驅(qū)動電路，如表所示（對比試驗1和試驗2）。但是當(dāng)柵極電阻的值過小時，盡管采用了齊納二極管，驅(qū)動器仍然會損壞（對比試驗3和試驗4）。

通過對比試驗2和試驗3，以及試驗3和試驗4，可以估算出損害驅(qū)動器的電流。通過試驗5和6可以得出一個非常有趣的結(jié)論：與功率等級相同的IGBT相比，超結(jié)MOSFET似乎能顯著降低流入柵極驅(qū)動器的功率水平。試驗9、10和11（未限制流入控制和驅(qū)動器芯片的電流）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)

破壞性試驗展示了功率開關(guān)受損時的各種波形。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間間隔 大約是100μs。只有非常有限的電流流入驅(qū)動器芯片，需承受過載情況。在相同的試驗條件下，標(biāo)準(zhǔn)MOSFET產(chǎn)生的柵極電流和過壓明顯更高，導(dǎo)致驅(qū)動器損壞，如圖7所示。芯片損壞分析

部分柵級驅(qū)動器封裝針對不同開關(guān)和不同測試條件，其芯片損壞情況相似。圖8所示為試驗8中基于P-MOSFET輸出驅(qū)動級的損傷情況（表1）。在體電壓為750 V時試驗導(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，柵級過電流通過內(nèi)置的P-MOSFET二極管流入 100 μF 電容。由于過電流，線焊附近區(qū)域熔化。驅(qū)動器芯片沒有進(jìn)一步損壞，控制芯片也沒有出現(xiàn)進(jìn)一步的隔離損壞。圖9所示為試驗9過程中的熔融區(qū)域，其中直接將150 V高壓施加于驅(qū)動器芯片?？刂菩酒碾姼綦x通過了本次極端過載試驗。

圖8.柵級驅(qū)動器芯片照片，展示了試驗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.柵級驅(qū)動器芯片照片，展示了試驗9期間的損壞位置 (ADuM4223 #2)。極端電氣過載未能損壞控制芯片。未發(fā)現(xiàn)隔離柵受損。

圖10.柵級驅(qū)動器芯片照片，展示了試驗10期間的損壞位置。輸出驅(qū)動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控制芯片施加超高電源電壓的情況

[1] [2]

關(guān)鍵字：IGBT  MOSFET

編輯：muyan 引用地址：http://news./manufacture/ic465389.html

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