通过创新的参数识别 (PI) 方法优化电源模块性能

高压栅极驱动器注意事项

碳化硅(SiC) 电源模块为高压应用的传统硅 (Si) 器件提供了极具吸引力的替代方案。 SiC 材料具有高击穿电压和在高开关频率下工作的能力，有助于大幅提高功率密度。这一改进不仅提高了电力电子系统的整体效率，而且还通过降低复杂性来简化其设计。

栅极驱动对于提高功率器件的高速开关能力至关重要。在当前的电力电子系统中，多个功率晶体管并联，导致负载不平衡问题。电流源栅极驱动器 (CSGD) 可以灵活地在每个功率晶体管的开关事件的各个阶段修改栅极电流。此功能对于电压源栅极驱动器 (VSGD) 特别有利，尤其是当功率晶体管老化并经历其电气特性和开关行为的变化时。

与传统设备不同，作者1在博世开发的栅极驱动器测试芯片可以在三个可编程间隔和栅极电流水平的指导下修改其换向中期的驱动强度。此功能允许电路独立微调电流和电压换向的开关速度。

门充电

如图 1 所示，MOSFET 的开关过程可分为四个阶段。从时间 t0 到 t1，栅极驱动电路填充栅极-源极 (C GS ) 和栅极-漏极 (C GD ) 电容，直到栅极电压达到阈值电压 (V th )。在 t1 和 t2 之间，当栅源电压 (V GS ) 超过 V th 时，它会启动漏极电流，终成为初级电流，同时继续对 C GS和 C GD充电。栅极电压的上升增大了漏极电流，直到栅极电压在t2处与米勒电压V GS(pl)一致。

从t2到t3，由于米勒效应，栅极电压稳定在V GS(pl) ，保持稳定状态。在此阶段，主栅极电流流过 MOSFET，漏极电压达到其导通阈值。在此期间，恒定栅极电压将驱动电流引导至 CGD 而不是 CGS。在此时间范围内 C GD (Q GD )中收集的电荷等于流向栅极电路的电流乘以电压降持续时间 (t3-t2)。

从 t3 到 t4，栅极电压被驱动至过饱和状态，对 C GS和 C GD充电，直到 V GS与栅极电源电压匹配。由于导通瞬态已经完成，MOSFET 在一段时间内没有出现开关损耗。

参数识别（PI）模式

在博世开发的 CSGD IC 1中，PI 已作为专用操作模式（“PI 模式”）实现。该模式使 IC 能够评估影响开关过程的功率半导体的各种参数值，旨在单独分析每个栅极通道，从而确定每个功率半导体芯片的特性。

PI 模式的激活是通过低压 (LV) 通信接口发送的命令启动的，该命令将 ASIC 的状态设置为特定的 PI 状态。一旦激活，PI 过程就会利用可配置的恒定栅极电流源进行测量，包括设置 ADC 偏移的选项。该偏移确定 ADC 对栅极电压进行采样的电压范围，确保测量中不考虑该范围之外的值。这种灵活性允许根据分析的具体要求在单个门输出或输出组合上进行 PI。

PI 过程的结果被捕获并传输到 MCU，其中进一步的数据处理提取必要的参数。准确识别这些参数的能力对于优化系统内功率半导体的性能、确保栅极驱动高效可靠的运行至关重要。

需要注意的是，一些市售的 VSGD 器件具有栅极阈值监控功能，旨在评估功率晶体管在启动阶段的栅极导通电压。这一动作启动恒流源对功率晶体管栅极电容的充电，导致栅极电压稳定增加。当晶体管开始导通时，其栅极电压稳定在阈值水平。在预定的消隐期之后，内置电压感测对稳定的栅极电压进行采样并将该数据记录在寄存器中。记录的测量值代表实际栅极电压的按比例缩小的值。

虽然这一概念可用于识别栅极导通电压的变化或容差，但 VSGD 器件中实现的方法无法确定完成开关事件的单个片段所需的栅极电荷的变化。此外，无法识别米勒高原区域的变化。这一概念可能能够识别功率晶体管导通电压的显着变化或漂移，但其输出可能不够准确，无法有效调整栅极驱动强度或栅极驱动电流分布。

通过参数识别 (PI) 进行优化

PI 的主要用途之一是调整 CSGD 栅极驱动器的电流分布。通过准确识别栅极电荷特性（Q GS、Q GD、Q ON），可以定制栅极驱动信号，以限度地减少开关损耗、减少电磁干扰 (EMI) 并优化开关速度，从而直接提高系统的效率和耐用性。

在 VSGD 栅极驱动器中，PI 输出可以指导栅极驱动强度选择，使其更适合嵌入式系统中的实际条件，而不是设计阶段的条件。

PI 还可以通过预测功率器件在各种工作条件下（尤其是在开启事件期间）的热行为来帮助进行热管理。这些信息可以优化热管理策略，平衡不同并联开关晶体管之间的负载，并降低过热风险，从而提高系统可靠性和使用寿命。

此外，通过PI获得的参数可以监控电力设备的磨损或故障，从而实现预测性维护并延长系统寿命。对于先进的电力电子系统，PI 数据可用于实施自适应控制算法，根据识别的参数实时调整系统运行。

数据采集

PI 方法预见了数据采集模式，随后是评估阶段。在数据采集模式下，从系统捕获原始数据或参数，然后按照以下关键阶段进行分析：

初始化：此阶段的正确配置对于确保系统准确调整以捕获所需数据至关重要

数据采集??：数据采集从启动命令开始，根据预定义的触发器或条件（“段”）捕获一组初始数据点。后续步骤（“第二部分”）继续在扩展条件下收集数据，以收集更全面的数据集

数据传输：此阶段涉及将收集到的数据传输到处理或存储单元，维护数据的完整性和可用性以供进一步分析或决策过程。 MCU 的原始数据处理得出关键参数，确保通过 ASIC 的 PI 模式对电源模块的功能进行全面评估。

PI模式评估

PI 模式评估检查环境温度变化、不同漏源电压 V DS电平、PI 充电电流配置以及不同恒定电阻负载所执行的漏极电流变化等参数。

对汽车牵引逆变器应用的功率模块进行的测量表明，栅极电流的增加会导致栅源电压曲线的开启阶段更快完成。

结果表明，漏极至源极电压的上升导致米勒平台区域的拉长，而恒定的漏极电流变化导致米勒平台的垂直漂移。晶体管温度升高导致米勒平台电压水平降低。

下表列出了同一电源模块在不同环境条件下进行 PI 时测得的充电值。该数据可以通过 MCU 算法进行处理，以检测相关趋势和操作条件。

结论

在栅极驱动器 IC 中实施 PI 模式代表了实际牵引逆变器应用中半导体测试和评估的重大进步。 PI 模式为理解和增强电源模块性能提供了通用的基础基础，允许分析和识别产品使用寿命期间电源模块特性的趋??势或变化。