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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(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集成高壓微變壓器或電容器來實(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：

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

• 在驅(qū)動(dòng)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(dòng)器芯片

   

   

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)電壓的測試電路，用來模擬真實(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。破壞過程中的波形會(huì)被記錄下來，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損壞程度的測試電路

為了實(shí)施IGBT/MOSFET驅(qū)動(dòng)器電氣過載測試（EOS測試），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測試時(shí)，采用500μs開啟信號(hào)來控制輸入VIA或VIB。開啟信號(hào)通過微隔離進(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。

無功率限制柵級(jí)驅(qū)動(dòng)電路直接受損測試電路

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(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)施過載測試的結(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(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(dòng)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(yàn)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(dòng)器芯片?？刂菩酒碾姼綦x通過了本次極端過載試驗(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。因此，在試驗(yàn)11中，對(duì)VDD1引腳施加了15 V電源電壓（圖5），這明顯超過了7.0 V絕對(duì)最大額定值。圖11中的照片顯示了VDD1引腳附近芯片有部分燒壞。

圖11.輸入控制芯片照片，展示了試驗(yàn)11期間的損壞位置。施加于電路中的電流在V_DD1引腳周圍造成了小范圍損壞。未發(fā)現(xiàn)隔離柵受損。

結(jié)論

針對(duì)功率開關(guān)的破壞性試驗(yàn)不會(huì)影響集成式柵級(jí)驅(qū)動(dòng)器ADuM4223/ADuM3223的隔離柵耐受性。即使驅(qū)動(dòng)器由于過多的電流流入輸出芯片而損壞，也只是局部小范圍燒壞。多余的電流通過P-MOS驅(qū)動(dòng)晶體管流入隔直電容。因此，只有P-MOS區(qū)域出現(xiàn)熔化。

ADuM4223/ADuM3223的芯片配置不允許熔融區(qū)擴(kuò)散到控制芯片，其中包括電氣隔離信號(hào)變壓器。為了限制流入驅(qū)動(dòng)器輸出的電流，可以使用齊納二極管。齊納二極管與適當(dāng)?shù)臇艠O電阻結(jié)合使用，在功率開關(guān)損壞時(shí)可以起到保護(hù)柵極驅(qū)動(dòng)器的作用。可以設(shè)計(jì)使用柵極電阻來管理正常工作期間的功耗，并在功率開關(guān)損壞時(shí)將驅(qū)動(dòng)器與其隔離開來。當(dāng)芯片上直接施加高壓時(shí)，柵級(jí)電阻起保險(xiǎn)絲的作用。電阻會(huì)控制芯片損壞程度，將其控制在輸出功率開關(guān)周圍的小范圍內(nèi)。

在最壞的情況下，對(duì)輸出芯片施加高功率時(shí)，驅(qū)動(dòng)器輸出引腳附近會(huì)出現(xiàn)小范圍損壞。這個(gè)試驗(yàn)不會(huì)影響隔離的耐受性能。主側(cè)在最壞情況下，當(dāng)電源電壓明顯高于絕對(duì)最大額定值時(shí)，電源電壓引腳周圍會(huì)出現(xiàn)小范圍損壞。在所有電氣過載試驗(yàn)中，都未出現(xiàn)隔離功能減弱的跡象。隨后實(shí)施的高壓隔離試驗(yàn)驗(yàn)證了電微隔離的耐受性能。適當(dāng)?shù)男酒Y(jié)構(gòu)以及驅(qū)動(dòng)器封裝內(nèi)部的芯片配置，可以避免擊穿電壓擴(kuò)散到微變壓器的高壓隔離層。

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5 Bernhard Strzalkowski?！癐GBT/MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器提供隔離功能的最大功率限制?！盤roceedings of PCIM 2014，2014年。

作者簡介

Bernhard Strzalkowski曾就讀于波蘭格利維采西里西亞理工大學(xué)和德國卡爾斯魯厄科技大學(xué)電氣工程專業(yè)，于1989年獲得德國卡爾斯魯厄大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位。2003年，獲得西里西亞工業(yè)大學(xué)電子學(xué)博士學(xué)位。從1989年到1996年，他作為施塔恩貝格的磁電機(jī)研發(fā)工程師，負(fù)責(zé)開發(fā)用于風(fēng)力轉(zhuǎn)換器和電動(dòng)/混合汽車的電力電子器件。從1997年到2008年，他加入了位于慕尼黑的Siemens/Infineon公司，其研究和設(shè)計(jì)工作包括用于工業(yè)/汽車應(yīng)用的集成電路。他于2009年2月加入位于德國慕尼黑的ADI公司，負(fù)責(zé)電源管理、 數(shù)字電源和iCoupler數(shù)字電源和iCoupler應(yīng)用。他為歐洲汽車/通信基礎(chǔ)設(shè)施客戶提供支持，已獲多項(xiàng)與電力電子領(lǐng)域有關(guān)的專利。他是ICE和VDE標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)以及PCIM咨詢委員會(huì)的成員。