SiC 技術(shù)已廣泛應用于電動汽車、工業(yè)、可再生能源/電網(wǎng)和其他應用的中壓和高壓應用中。為了充分發(fā)揮其優(yōu)勢，系統(tǒng)開發(fā)人員必須首先抵消其更快的開關(guān)速度帶來的不良副作用。

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由于基于 SiC 的系統(tǒng)設計的復雜性不斷增加，傳統(tǒng)柵極驅(qū)動器不足以解決這些與 SiC 相關(guān)的挑戰(zhàn)。這些傳統(tǒng)柵極驅(qū)動器專為與速度慢得多的硅絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 配合使用而設計。

想要實現(xiàn)更快的上市時間、靈活性以及改進的設計能力的基于SiC(碳化硅)的系統(tǒng)開發(fā)者們，現(xiàn)在轉(zhuǎn)而使用智能的、可配置的數(shù)字門控驅(qū)動器。這些驅(qū)動器也使得他們能夠輕松地從鍵盤操作的舒適便捷中優(yōu)化開關(guān)性能，而不是通過重新旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)板或在其上焊接門電阻來實現(xiàn)。

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使用 SiC 技術(shù)的設計人員在設備的高效驅(qū)動和安全控制方面面臨著動態(tài)的新挑戰(zhàn)。

由于 SiC 的開關(guān)速度比硅快得多，隨之而來的更快的電壓和電流轉(zhuǎn)換帶來了挑戰(zhàn)或二次效應，這可能會導致潛在的噪聲和電磁干擾 (EMI) 以及振鈴、過壓和過熱。除非開發(fā)人員采用仔細的電路設計和濾波等緩解措施，否則這些影響可能會導致設備故障、不必要的噪聲、系統(tǒng)性能降低和其他問題。

使用硅 IGBT 的系統(tǒng)設計人員通常不必花費太多時間來減輕此類二次效應，而可以通過使用傳統(tǒng)的模擬柵極驅(qū)動器來實現(xiàn)。使用采用 SiC 技術(shù)的傳統(tǒng)模擬柵極驅(qū)動器會導致效率低下，因為在故障情況下需要顯著更快的響應時間。模擬柵極驅(qū)動器也很難修改以優(yōu)化開關(guān)操作和性能。

數(shù)字柵極驅(qū)動器解決了這些挑戰(zhàn)，同時還提供強大的短路保護。使用柵極驅(qū)動配置文件的軟件可配置方法是最新數(shù)字柵極驅(qū)動器的關(guān)鍵要素。這種方法允許根據(jù)應用標準(從功率水平、開關(guān)頻率到負載條件)以數(shù)字方式配置 SiC 功率器件開關(guān)特性，以實現(xiàn)最佳效率。

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mSiC 和可配置增強交換技術(shù)的優(yōu)勢

當今數(shù)字柵極驅(qū)動器的最大優(yōu)勢之一是可以通過可配置的開啟和關(guān)閉開關(guān)配置文件對其進行增強。這使得設計人員能夠?qū)㈤_關(guān)損耗降低高達 50%，并將 V DS過沖降低高達 80% 。

Microchip 的 mSiC 柵極驅(qū)動器解決方案采用增強型開關(guān)技術(shù)，提供涵蓋控制開通和關(guān)斷柵極電壓及其持續(xù)時間的各個步驟的柵極驅(qū)動配置文件。設計人員可以通過軟件輕松快速地以數(shù)字方式修改這些配置文件，以滿足其特定的應用需求，而無需更改硬件。該技術(shù)還包括獨立的短路響應和強大的故障監(jiān)控/檢測。

圖中顯示了這種類型的柵極驅(qū)動器如何工作來實現(xiàn)可配置的關(guān)斷開關(guān)。每列的頂部圖像是智能可配置工具 (ICT) 的圖形編輯器，底部圖像是帶有關(guān)閉波形的示波器拍攝結(jié)果。左圖顯示了傳統(tǒng)開關(guān)(增強關(guān)閉功能被禁用)。中間的圖顯示了一種增強關(guān)閉設置的應用，第三張圖顯示了第二種關(guān)閉選項。每種情況下的條件均為 600 VV DS和 400 AI DS，柵極電阻為 1.1 Ω。

第三張圖顯示了所需的結(jié)果：V過沖峰值降低至 712V，同時電壓和電流振鈴降低。這是通過以下方式實現(xiàn)的：從 20V 的級上電壓開始，繼續(xù)達到 4.5V 的可配置中間電平，并在下降到 -5V 關(guān)斷電壓之前保持 650 納秒 (ns)。關(guān)斷能量增加至 16 mJ，以減少 V過沖和振鈴 (EMI)。

除了提供可配置的配置文件外，當今的解決方案還包含額外的故障監(jiān)控檢測級別和短路響應。這些功能共同為設計人員提供了多層控制和保護，以確保安全、可靠的運行。

對于許多使用 SiC MOSFET 的設計人員來說，問題不在于是否使用智能數(shù)字柵極驅(qū)動器，而是根據(jù)自己的需求從頭開始構(gòu)建一個驅(qū)動器，或者使用即插即用的柵極驅(qū)動器解決方案。有多種選擇可供考慮。

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實施內(nèi)部或即插即用柵極驅(qū)動器解決方案的設計注意事項

開發(fā)人員可以利用軟件可配置的 ±V GS柵極電壓創(chuàng)建功能齊全的 SiC MOSFET 柵極驅(qū)動解決方案。這可以使用由模塊適配器板支持的數(shù)字柵極驅(qū)動器內(nèi)核來完成，從而促進評估和開發(fā)。完整的數(shù)字柵極驅(qū)動器開發(fā)套件也可用于實現(xiàn)此目的。

一些系統(tǒng)開發(fā)人員不具備構(gòu)建解決方案的內(nèi)部設計工程技能，并且上市時間壓力需要能夠更快實施的解決方案。在這些情況下，可以使用柵極驅(qū)動器板來使用即插即用方法，例如 Microchip 的即插即用 mSiC 柵極驅(qū)動器，該驅(qū)動器板可通過預配置的模塊設置開箱即用。這些板由編程套件和 ICT 軟件支持，可根據(jù)應用需求進行額外優(yōu)化，無論是重型車輛和輔助電源裝置 (APU) 還是充電、存儲、逆變器和感應加熱系統(tǒng)。

即插即用柵極驅(qū)動器的另一個好處是它們已經(jīng)符合行業(yè)特定標準，并且比其他方法更容易組裝。它們簡化了成本和開發(fā)，同時消除了供應鏈中斷的風險。

例如，LinPak開放標準功率半導體封裝已被大量模塊制造商采用。它包括低壓 (LV) LinPak 模塊和用于隔離式 SiC MOSFET 模塊的最新高壓 (HV) 版本。

后者以 LV 變體的成功為基礎，具有相同的低雜散電感、并聯(lián)性能和高功率密度。這種雙(或相腳)高壓模塊具有眾多優(yōu)點，其中將主電源端子定位在封裝的每一側(cè)，因此柵極單元可以方便地放置在模塊的中間，并且其 DC+ 和 DC- 端子分布最大限度地減少了換向電感。

為了支持這些低壓和高壓模塊，當今的即插即用柵極驅(qū)動器經(jīng)過預先配置和優(yōu)化，可在鐵路牽引、電池充電、智能電網(wǎng)和 UPS 系統(tǒng)等應用中“開箱即用”工作。工業(yè)電機驅(qū)動器和重型設備。以 3.3 kV HV LinPak 模塊為例，當今的數(shù)字柵極驅(qū)動器采用可配置的開關(guān)配置文件來監(jiān)控故障報告并改進對基于 SiC MOSFET 的電源系統(tǒng)的控制。它們支持 10.2 kV 初級到次級隔離、可配置的打開/關(guān)閉開關(guān)配置文件以及隔離溫度和直流鏈路監(jiān)控。

在圖4所示的示例中，智能隔離柵極驅(qū)動器符合鐵路應用的多項關(guān)鍵標準，包括確保惡劣環(huán)境下可靠性的EN50155、用于EMC保護的EN50121-3-2和EN61000-6-4、用于沖擊的EN 61373和抗振性，以及 EN 45545-2 消防安全分類的危險等級 (HL) 2。

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從電氣化到電網(wǎng)現(xiàn)代化的轉(zhuǎn)變

寬帶隙碳化硅技術(shù)已經(jīng)在萬物電氣化方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。它將很快解決其他重大挑戰(zhàn)，例如需要進行電網(wǎng)檢修，以實現(xiàn)必要的全向功率流，以簡化收集的能量通過分配到最終調(diào)節(jié)和使用的方式。

使用軟件可配置的SiC MOSFET 柵極驅(qū)動方法將更容易解決這些和其他挑戰(zhàn) 。這種方法減少了開關(guān)損耗和振鈴，同時提高了系統(tǒng)功率密度，超出了使用標準模擬 MOSFET 柵極驅(qū)動器所能達到的水平，以減輕 SiC 技術(shù)的二次效應。開發(fā)人員擁有多種使用 mSiC 柵極驅(qū)動器的構(gòu)建或購買選項，從模塊適配器板支持的數(shù)字柵極驅(qū)動器內(nèi)核到為廣泛采用的模塊封裝預先配置的即插即用解決方案，幫助開發(fā)人員和設計人員輕松采用 SiC 、速度和信心。