如今，新的功率開關(guān)技術(shù)正被廣泛應(yīng)用于要求高功率密度、高開關(guān)頻率和小尺寸是關(guān)鍵要求的苛刻應(yīng)用中。這些新開關(guān)器件發(fā)揮作用的三個關(guān)鍵應(yīng)用是：

汽車（牽引逆變器、DC/DC 轉(zhuǎn)換器和車載充電器）

工業(yè)/電機(jī)控制（負(fù)載點電源、不間斷電源、機(jī)器人、電機(jī)控制）

電源/太陽能（太陽能逆變器、電信電源、服務(wù)器/云/PC電源）

功率開關(guān)要么使用傳統(tǒng)的硅基技術(shù)，如MOSFET和絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)，要么使用較新的寬帶隙半導(dǎo)體，如碳化硅和氮化鎵。在相關(guān)應(yīng)用中，汽車是近年來發(fā)展勢頭強(qiáng)勁的領(lǐng)域，主要是由于正在向電動汽車過渡以及電動汽車的逐步采用。

如圖 1 所示，電動汽車集成了大量傳感器和電子電路，包括高壓總線（400 V、800 V 或更高）和本地低壓總線。SiC 器件正在取代高壓系統(tǒng)中的硅基器件，例如車載充電器、電池管理系統(tǒng)、主 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和牽引逆變器。

圖 1：電動汽車系統(tǒng)中的開關(guān)技術(shù)

高壓母線存在嚴(yán)重的安全問題，它必須與低壓母線電隔離，同時仍允許在兩個電壓域之間雙向交換信息。

Skyworks 隔離柵極驅(qū)動器

Skyworks Solutions 是一家為無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供高度創(chuàng)新的模擬半導(dǎo)體的領(lǐng)先公司，最近完成了對 Silicon Labs 基礎(chǔ)設(shè)施和汽車業(yè)務(wù)的收購。針對包括電動汽車和混合動力汽車在內(nèi)的關(guān)鍵汽車領(lǐng)域的增長，Skyworks 為硅、GaN 和 SiC 電源開關(guān)提供高性能和強(qiáng)大的隔離式柵極驅(qū)動器。

Skyworks Solutions 產(chǎn)品經(jīng)理 Charlie Ice 在 2021 年 PowerUP Expo 上舉行了題為“驅(qū)動和保護(hù)未來的電源開關(guān)”的技術(shù)演講，討論了硅基和寬帶隙功率器件的關(guān)鍵柵極驅(qū)動器要求和保護(hù)方法. 本文將介紹相同的主題。

“特別是在電動汽車中，我們必須確保高壓側(cè)和低壓側(cè)保持隔離，同時確保它們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^該屏障進(jìn)行通信和信息交換，”查理說。

隔離器件的特性對于 SiC 和 GaN 等新的開關(guān)技術(shù)更為重要，它們可以實現(xiàn)更高的效率，但更敏感，更容易損壞。因此，這些新的開關(guān)技術(shù)需要獨特的保護(hù)才能安全可靠地運行。

傳統(tǒng)上，電力電子系統(tǒng)依賴于 IGBT，這是在高功率和高電壓條件下每瓦成本最低的解決方案。然而，IGBT 的開關(guān)速度較慢，從而限制了系統(tǒng)的效率。這就是 SiC 和 GaN 都介入以真正推動更高效率的地方。兩者的一個缺點是它們不能像 IGBT 那樣承受盡可能多的故障條件，這就是它們需要額外保護(hù)的原因。

在高壓系統(tǒng)中，為了安全起見，我們必須將高壓側(cè)與低壓側(cè)分開。通常，設(shè)計人員決定將控制器保持在低壓側(cè)，以便遠(yuǎn)離噪聲和大瞬態(tài)?？刂破魃擅}寬調(diào)制 (PWM) 信號，并將它們穿過隔離柵傳遞到柵極驅(qū)動器，該驅(qū)動器基本上將低壓 PWM 信號放大為能夠打開和關(guān)閉功率器件的更高信號。

隔離式柵極驅(qū)動器執(zhí)行的兩個主要功能是將 3V 或 5V 信號電平轉(zhuǎn)換到 24V 或 30V 的較高電壓軌，并提供開關(guān)電流以對柵極電容器進(jìn)行充電/放電。通過添加電流隔離屏障，該器件實現(xiàn)了兩個主要優(yōu)點：

它提供輸入到輸出隔離，以保護(hù)控制器和可能的人員免受高壓和電壓瞬變的影響。

它有助于保持抗噪音運行以獲得最佳效率。高壓瞬變會中斷操作，導(dǎo)致調(diào)制損失，從而導(dǎo)致效率損失。

隔離式柵極驅(qū)動器甚至可以安全地用于切換高功率開關(guān)，例如硅或超級結(jié) MOSFET、IGBT，以及 GaN 和 SiC 等寬帶隙開關(guān)。隔離式柵極驅(qū)動器有多種形式：單通道、雙通道以及可以從單個 PWM 輸入生成高側(cè)和低側(cè)信號的驅(qū)動器。

“我通常發(fā)現(xiàn)許多汽車系統(tǒng)使用單通道驅(qū)動器，因為它們使板層布局更容易；然而，雙通道驅(qū)動器和高邊/低邊驅(qū)動器在電源系統(tǒng)中非常流行，”Charlie 說。

關(guān)于保護(hù)，關(guān)鍵方法之一是米勒鉗。它的功能是監(jiān)視柵極上的電壓，如果它變得太高，它就會鉗位它。基本上，它是一個主動監(jiān)視器，可確保門始終關(guān)閉。然而，米勒鉗位保護(hù)對于 SiC 和 GaN 功率器件來說是不夠的，它們更敏感，損壞更快。為了驅(qū)動 SiC 或 GaN 器件，我們需要添加的另一個特性是去飽和檢測和軟關(guān)斷，以提高它們的保護(hù)和使用壽命。

在大功率系統(tǒng)（例如牽引逆變器）中，功率設(shè)備遇到瞬時過流狀況的情況并不少見。在這種情況下，具有去飽和檢測功能的隔離式柵極驅(qū)動器可以監(jiān)控電源開關(guān)兩端的電壓 (V CE )。如果它檢測到其兩端的電壓過高（參見圖 2），這表明存在故障情況，它會以一種非常安全的方式自動將其關(guān)閉，也稱為軟關(guān)機(jī)。但是，重要的是要足夠快地關(guān)閉設(shè)備以避免損壞。在這里，我們可以看到開關(guān)設(shè)備的行為方式有何不同。例如，IGBT 需要在 3 μs 內(nèi)關(guān)閉，而 SiC 器件需要在 1.2 μs 內(nèi)關(guān)閉，GaN 器件需要在 200 ns 內(nèi)關(guān)閉。

圖 2：帶故障指示的去飽和保護(hù)

“這兩項關(guān)鍵技術(shù)——米勒鉗位和去飽和檢測——對于成功驅(qū)動 SiC 和 GaN 以及使系統(tǒng)可靠并且在許多方面安全，已經(jīng)變得非常關(guān)鍵，”Charlie 說。

審核編輯 黃昊宇