作者：Kenton Williston

投稿人：DigiKey 北美編輯

在電動汽車 (EV)、可再生能源以及工業(yè)自動化需求的推動下，電源系統(tǒng)持續(xù)迭代升級。在此背景下，設計人員要在效率、性能與安全性之間取得平衡，面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。雖然絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 和碳化硅 (SiC) 金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 等高壓元器件的集成是實現(xiàn)這種平衡的關鍵一步，但這些器件需要能夠提供精確控制、快速切換和強大保護機制的柵極驅動器。

本文探討了與驅動現(xiàn)代電源系統(tǒng)相關的挑戰(zhàn)，重點介紹了半橋拓撲。然后，介紹了 [Infineon Technologies] 的柵極驅動器和評估板，這些產(chǎn)品可以幫助克服這些挑戰(zhàn)。

現(xiàn)代半橋拓撲的設計挑戰(zhàn)

隨著行業(yè)朝著更高的開關頻率、更高的電壓和采用寬帶隙 (WBG) 半導體的方向發(fā)展，電源系統(tǒng)面臨著日益嚴峻的挑戰(zhàn)。雖然這些進步提高了效率，但也對柵極驅動器提出了更高的要求。

為說明不斷升級的技術需求，我們以半橋拓撲為例，它在諸多應用里已成為標準配置。半橋電路在電動汽車 DC-DC 車載充電器和電機驅動系統(tǒng)中扮演著舉足輕重的角色。該電路支持雙向功率流，這在正常電機運轉（正向功率流）與再生制動（反向功率流）時都不可或缺。在新型電動汽車平臺向 800V 架構轉變的進程中，對可靠隔離和保護機制的需求愈發(fā)迫切，同時還需維持開關精度。

在可再生能源系統(tǒng)中，半橋設計是實現(xiàn)電網(wǎng)集成所必需的三相逆變器的基礎。SiC MOSFET 和 IGBT 采用的較高開關頻率提升了能源轉換效率，卻也加劇了高壓側與低壓側開關的共模電壓問題，進而引發(fā)嚴重的電磁干擾 (EMI)，這不僅影響系統(tǒng)整體性能，還可能導致違反相關監(jiān)管標準。

工業(yè)電機驅動器面臨更多挑戰(zhàn)，其中，維持分相電容器布置間直流總線電壓的平衡便是一大難題。此外，當前設計朝著更緊湊、更高功率密度的方向發(fā)展，這無疑加劇了熱管理的復雜性，同時也使電氣噪聲問題愈發(fā)突出。

在所有這些應用中，設計人員急需適配的柵極驅動器解決方案，不僅要具備精準控制、快速開關的能力，還需擁有全面的保護功能，同時，還能在高壓與低壓電路間構建起可靠的隔離屏障。

專為 IGBT 和 MOSFET 打造的雙通道柵極驅動器

Infineon Technologies 的 [EiceDRIVER 2ED314xMC12L]系列（圖 1）采用專門用于控制 IGBT 和 MOSFET 的雙通道設計，來應對這些挑戰(zhàn)。該系列所有產(chǎn)品都設有帶死區(qū)時間控制 (DTC) 的獨立工作通道，這使得 2ED314xMC12L 器件既能充當雙通道低壓側驅動器，也能作為雙通道高壓側驅動器，或是半橋柵極驅動器。

圖 1：2ED314xMC12L 系列設有帶 DTC 的獨立工作通道，允許器件作為雙通道低壓側驅動器、雙通道高壓側驅動器或半橋柵極驅動器運行。（圖片來源：Infineon Technologies）

在半橋配置中，雙通道架構使得單個柵極驅動器 IC 能夠高效地控制高壓側和低壓側開關。這種高度集成的設計極大地簡化了印刷電路板 (PCB) 的布局，減少了元件的使用數(shù)量，同時支持通道間的匹配時序特性，這對于維持適當?shù)?DTC 和防止擊穿情況至關重要。

2ED314xMC12L 系列的一個主要優(yōu)勢是通過無芯變壓器技術實現(xiàn)電流隔離。這種方法可以實現(xiàn)快速信號傳輸，并且具有極強的抗電磁干擾能力，這在電動汽車等電噪聲環(huán)境中至關重要。

隔離能力通過 UL 1577 標準認證，可承受 6.84 kVRMS 電壓持續(xù) 1 秒，以及 5.7 kVRMS 電壓持續(xù) 1 分鐘。在可再生能源系統(tǒng)等應用中，這種強大的隔離水平對于防范高壓瞬變極為關鍵，在這類應用中，并網(wǎng)逆變器必須能夠耐受公用事業(yè)級電壓浪涌。

高輸出、高精度開關

2ED314xMC12L 系列在多項相關基準測試中表現(xiàn)出色，首當其沖的是其具備 6.5 A 的峰值輸出電流。這一高輸出特性對 SiC MOSFET 尤為有利，因為 SiC MOSFET 需要強柵極驅動信號才能實現(xiàn)高效開關。

另一個關鍵特性是 39 ns 的傳播延遲，這使得精確的時序控制成為可能。對于工業(yè)自動化等應用來說，這是一個重要的考量因素，因為在這些應用中，電機速度和扭矩控制依賴于高精度開關。

極為嚴格的部件間傳播延遲偏移，最大僅為 8 ns，這意味著在使用多個驅動器 IC 時，比如在三相電機驅動器中，各部件之間的時序差異能降至最低。更為嚴苛的通道間傳播延遲偏移（最大為 5 ns），則有助于避免每個半橋的開關之間出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。

最后，額定超過 200 kV/μs 的共模瞬變抗擾度 (CMTI) 有助于防止因電壓瞬變而導致的誤觸發(fā)。以可再生能源應用為例，如此高的瞬態(tài)抗擾度可確保設備在電網(wǎng)波動以及功率流突然變化時仍能穩(wěn)定運行。

確保穩(wěn)定運行的可靠性

2ED314xMC12L 系列具有多種保護功能，可確保在要求苛刻的電源應用中可靠運行。每項功能均專為解決高壓開關環(huán)境中可能出現(xiàn)的特定可靠性問題而設計。

主動關斷和短路箝位屬于必要的保護手段。在兩個電源開關堆疊于直流總線電壓之間的半橋配置中，這些機制能夠防范擊穿電流。如果兩個開關同時導通，由此引發(fā)的短路狀況極有可能損壞元器件，甚至導致系統(tǒng)停機。

另一個值得關注的特性是欠壓鎖定 (UVLO) 保護功能，該功能會創(chuàng)建一個磁滯“死區(qū)”，即便電壓出現(xiàn)微小波動，系統(tǒng)狀態(tài)也能維持穩(wěn)定，避免在閾值附近產(chǎn)生振蕩。例如，在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，UVLO 可在部分多云的天氣條件下提供穩(wěn)定運行，避免不必要的中斷。一些型號提供 8.5 V 至 9.3 V 之間的 UVLO，而其他版本則提供 12.5 V 至 13.6 V 之間的保護。

該系列產(chǎn)品還提供帶有使能引腳的型號，這為緊急關斷場景增添了一層額外的控制手段。在這些型號中，每個數(shù)字輸入引腳都包含一個下拉電阻，確保當引腳出現(xiàn)脫焊或斷開的情況時，引腳會默認進入安全狀態(tài)，通道隨即被禁用。這一功能在要求高可靠性的應用中尤其重要，因為即使發(fā)生意外故障也必須維持系統(tǒng)完整性。

對于優(yōu)先考慮較低電流消耗和簡化控制的應用，可提供具有禁用引腳的型號。這些型號能讓柵極驅動器在默認狀態(tài)下保持激活，以此降低待機功耗，同時簡化系統(tǒng)設計。

[2ED3140MC12L] 是可用選項的一個示例，它提供 8.5 V 到 9.3 V 之間的磁滯 UVLO 和一個禁用引腳。相比之下，[2ED3146MC12L] 提供 12.5 V 至 13.6 V 之間的 UVLO 和一個使能引腳。

高效可靠的封裝

該系列產(chǎn)品采用 PG-DSO-14-71 封裝（圖 2）。這種表面貼裝封裝尺寸為 10.3 x 7.5 mm，對于高功率雙通道驅動器來說，尺寸非常緊湊。在電動汽車應用中，該封裝可節(jié)省寶貴的動力總成空間。

圖 2：2ED314xMC12L 系列采用緊湊型 PG-DSO-14-71 封裝。（圖片來源：Infineon Technologies）

盡管尺寸小，但所有型號都提供了足夠的間距以確保安全運行：8 mm 輸入到輸出和 3.3 mm 通道到通道爬電距離和間隙距離。這些尺寸既符合隔離方面的要求，又能維持在空間有限的設計中所必需的緊湊外形規(guī)格。

使用評估板快速入門

為了簡化測試和開發(fā)，Infineon Technologies 提供了 [EVAL-2ED3146MC12L] 評估板（圖 3）。這款半橋板的設計初衷，是為了展示 2ED3146MC12L 隔離式柵極驅動器 IC 的各項功能。

圖 3：EVAL-2ED3146MC12L 評估板提供半橋設置來評估 2ED3146MC12L。（圖片來源：Infineon Technologies）

除了柵極驅動器外，這款評估板還包括兩個 Infineon Technologies [IMZA120R020M1HXKSA1] CoolSiC 溝槽型 MOSFET，以及一個 Infineon Technologies [2EP130R]變壓器驅動器 IC，用于板載電源。這些元器件專門為評估而設置，同時也是實際設計中切實可行的選擇。

SiC MOSFET 的漏源電壓額定值為 1,200 V，與 2ED314xMC12L 驅動 600 V 至 2,300 V 功率器件的能力完全契合。2ED314xMC12L 的 35 V 絕對最大輸出電源電壓可以輕松滿足這些 MOSFET 的 18 V 柵極驅動電壓要求。MOSFET 在 25°C 時的導通電阻低至 19 mΩ，能夠最大限度地降低導通損耗。

這些 MOSFET 在 +25°C 時的功率耗散能力為 375 W，工作溫度范圍為 -55°C 到 +175°C，完全滿足高性能電力電子應用的要求。柵極驅動器具備 39 ns 的快速傳播延遲，以及 >200 kV/μs 的 CMTI，這使得其能夠實現(xiàn)高效的高頻開關操作，并且在 MOSFET 的整個工作溫度范圍內，都能維持可靠穩(wěn)定的運行。

2EP130R 變壓器驅動器擁有 50 kHz 至 695 kHz 的寬開關頻率范圍，與 2ED3146MC12L 的快速傳播延遲協(xié)同工作，成為了柵極驅動器的有力補充。該變壓器驅動器具備高精度的占空比調整能力（可在 10% 至 50% 之間調節(jié)），與柵極驅動器精確的時序特性相得益彰，這一組合對于在半橋配置中維持最佳的死區(qū)時間而言至關重要。

總結

Infineon Technologies 的 EiceDRIVER 2ED314xMC12L 系列產(chǎn)品，在效率、性能以及安全功能方面實現(xiàn)了良好的平衡，充分滿足了電動汽車、可再生能源以及工業(yè)自動化等領域中高壓應用的需求。該系列產(chǎn)品采用緊湊的 PG-DSO-14-71 封裝形式，能夠適應空間有限的設計方案，而 EVAL-2ED3146MC12L-SiC 評估板則有助于實現(xiàn)快速測試。

審核編輯 黃宇