GD3160 DESAT應用結合LT SPICE電路模擬工具

GD3160 是一款用於牽引逆變器應用的高壓隔離閘極驅動器。它具有多種功能和保護特性，可以提供可靠的控制和保護，以確保功率半導體器件的安全運行。其中包括過電壓保護、過電流保護、短路保護等。這些保護機制能夠監測和檢測系統中的異常情況，並在必要時關閉功率半導體器件，以防止損壞和故障。這有助於延長器件的壽命並確保系統的可靠性。

此篇文章主要為了介紹GD3160 DESAT的功能並提供電路模擬的方法，在功率電子領域中，準確建模和仿真IGBT和SiC閘極驅動器對於設計和分析高性能系統至關重要。LTspice參數化模型是一個強大的工具，可以讓工程師輕鬆地模擬和優化閘極驅動器電路。在本文中，我們將探索這個模型的功能和能力，並分享我們的見解和經驗。


GD3160 DESAT功能的主要作用是檢測和保護IGBT（絕緣栅雙極性電晶體）和SiC MOSFET（碳化矽金屬氧化物半導體場效應電晶體）等功率半導體器件免受過電壓損壞的影響。它可以監測VCE/VDS，一旦檢測到過電壓事件，就能夠迅速觸發相應的保護措施，例如切斷驅動信號或啟動保護回路，以防止器件損壞。目前牽引逆變器應往SIC功率模組發展，擁有更快速的開關速度，而GD3160能夠以非常短的時間內檢測到過電壓事件並做出反應，這有助於最大程度地減少過電壓對器件的損壞。這種高速响應時間使得GD3160在SIC應用和需要快速保護的場景中表現出色。

在大部分避免電壓過壓的設計中，大多使用Active clamp 的傳統設計，如(圖一)所示，D1/D2避免VCE/VDS電壓過衝，一旦過衝經由D4返回Gate，藉此避免過衝損壞IGBT/SIC，而我們也支援這種方式使用CLAMP PIN 達成，但此方法使用非常多的二極管導致沒有效率而且昂貴，因此，GD3160提出另一種節省成本的方式，可以參考分段驅動電路如(圖二)所示，在正常操作期間，關斷IGBT/SIC時，GD3160會打開電流約20mA來充電CDESAT，根據通過功率元件的電流量，我們可以檢測到一個閥值，這就是分段驅動的閥值，一旦超過比較器，並持續一個可編程的延遲時間，GD3160會進入SSD。目的是減慢關閉的時間，而不使用GL pin關閉，在很短的時間內約300ns至600ns內我們打開SSD，以減少VDS或VCE上的過衝。




接下來介紹如何使用LTspice 模擬GD3160 DESAT 的功能，通過準確地建模閘極驅動器的特性和行為，能夠獲得準確的仿真結果，並進行系統性能的優化。
以下提供了在LTspice軟體中設定GD31xx 模型包的方法與步驟:

1. 經由以下連結可以進入NXP官方網站登入帳號密碼後下載GD3160 LTspice Model
https://www.nxp.com/webapp/sd/collateral/1664213362816725578258?version=1.0

3. 開啟LTspice 在左上角點擊Tool進入以下介面，並將CABMOD,GD3160及Thermal 檔案路徑放入Symbol Search Path和Library Search Path，如下圖所示



接下來開啟double pulse的範例，裡面集成了高低壓區的電源供應，功率模組(XM3 SiC Power Module)，GD3160 (Isolated Gate Driver )，詳細的介面如下圖所示:



Double pulse testing是一種常用的測試方法，用於評估和分析IGBT元件的性能和特性。它主要用於評估IGBT的開關速度、動態特性等等。而使用LTspice可以很輕鬆地驗證使用GD3160的Segmented drive功能是否能夠抑制在測試過程中雜散電感產生的尖峰電壓，可以經由Enable/Disable SegDrv feature 來確認，並在此過程中可以調整SegDrv 參數以匹配功率元件。

將*拿掉可以開啟Segmented drive功能:

可以由下圖觀察到，雜散電感產生的尖峰電壓大約在980V左右

將Sweep parameters底下的分段驅動功能開啟(*.step param p_SEGDRV list 0 1)，將*移除後就可以將分段驅動功能Enable.可以觀察以下Double pulse 波形，雜散電感所產生的尖峰電壓可以被有效抑制，大約落在900V以下，與原本的尖峰電壓大約差80~100V左右。

SEGDRV Parameters 可以經由gd3160_param_halfbridge_tb 檔案修改，經由LTspice 可以匹配各廠牌的power module，藉此方式可以在開發初期幫助使用者進行初步的電路設計，加快產品的開發速度。