驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電源開(kāi)關(guān)的高級(jí)解決方案

如今，新的功率開(kāi)關(guān)技術(shù)正被廣泛應(yīng)用于要求高功率密度、高開(kāi)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(kāi)關(guān)器件發(fā)揮作用的三個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用是：

1. 汽車(chē)(牽引逆變器、DC/DC 轉(zhuǎn)換器和車(chē)載充電器)

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

1. 電源/太陽(yáng)能(太陽(yáng)能逆變器、電信電源、服務(wù)器/云/PC電源)

功率開(kāi)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(chē)是近年來(lái)發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁的行業(yè)，主要是由于正在向電動(dòng)汽車(chē)過(guò)渡以及電動(dòng)汽車(chē)的逐步采用。

電動(dòng)汽車(chē)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(chē)載充電器、電池管理系統(tǒng)、主 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和牽引逆變器。

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

Skyworks 隔離柵極驅(qū)動(dòng)器

Skyworks Solutions 是一家為無(wú)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(duì) Silicon Labs 基礎(chǔ)設(shè)施和汽車(chē)業(yè)務(wù)的收購(gòu)。針對(duì)包括電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)在內(nèi)的關(guān)鍵汽車(chē)領(lǐng)域的增長(zhǎng)，Skyworks 為硅、GaN 和 SiC 電源開(kāi)關(guān)提供高性能和強(qiáng)大的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器。

Skyworks Solutions 產(chǎn)品經(jīng)理 Charlie Ice 在 2021 年 PowerUP Expo 上舉行了關(guān)于“驅(qū)動(dòng)和保護(hù)未來(lái)的電源開(kāi)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(dòng)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(dòng)汽車(chē)中，我們必須確保高壓側(cè)和低壓側(cè)保持隔離，同時(shí)確保它們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^(guò)該屏障進(jìn)行通信和信息交換，”查理說(shuō)。

隔離器件的特性對(duì)于 SiC 和 GaN 等新的開(kāi)關(guān)技術(shù)更為重要，它們可以實(shí)現(xiàn)更高的效率，但更敏感，更容易損壞。因此，這些新的開(kāi)關(guān)技術(shù)需要獨(dú)特的保護(hù)才能安全可靠地運(yùn)行。

傳統(tǒng)上，電力電子系統(tǒng)依賴(lài)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(kāi)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(dòng)更高效率的地方。兩者的一個(gè)缺點(diǎn)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(jiàn)，我們必須將高壓側(cè)與低壓側(cè)分開(kāi)。通常，設(shè)計(jì)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(hào)，并將它們穿過(guò)隔離柵傳遞到柵極驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器基本上將低壓 PWM 信號(hào)放大為能夠打開(kāi)和關(guān)閉功率器件的更高信號(hào)。

隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行的兩個(gè)主要功能是將 3V 或 5V 信號(hào)電平轉(zhuǎn)換到 24V 或 30V 的較高電壓軌，并提供開(kāi)關(guān)電流以對(duì)柵極電容器進(jìn)行充電/放電。通過(guò)添加電流隔離屏障，該器件實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：

1. 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。

1. 它有助于保持抗噪音運(yùn)行以獲得最佳效率。高壓瞬變會(huì)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(dòng)器甚至可以安全地用于切換高功率開(kāi)關(guān)，例如硅或超級(jí)結(jié) MOSFET、IGBT，以及 GaN 和 SiC 等寬帶隙開(kāi)關(guān)。隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器有多種形式：?jiǎn)瓮ǖ?、雙通道以及可以從單個(gè) PWM 輸入生成高側(cè)和低側(cè)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)器。

“我通常發(fā)現(xiàn)許多汽車(chē)系統(tǒng)使用單通道驅(qū)動(dòng)器，因?yàn)樗鼈兪拱鍖硬季指菀?然而，雙通道驅(qū)動(dòng)器和高邊/低邊驅(qū)動(dòng)器在電源系統(tǒng)中非常流行，”Charlie 說(shuō)。

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(huì)鉗位它?；旧?，它是一個(gè)主動(dòng)監(jiān)視器，可確保門(mén)始終關(guān)閉。然而，米勒鉗位保護(hù)對(duì)于 SiC 和 GaN 功率器件來(lái)說(shuō)是不夠的，它們更敏感，損壞更快。為了驅(qū)動(dòng) SiC 或 GaN 器件，我們需要添加的另一個(gè)特性是去飽和檢測(cè)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(shí)過(guò)流狀況的情況并不少見(jiàn)。在這種情況下，具有去飽和檢測(cè)功能的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器可以監(jiān)控電源開(kāi)關(guān)兩端的電壓 (V CE )。如果它檢測(cè)到其兩端的電壓過(guò)高，這表明存在故障情況，它會(huì)以一種非常安全的方式自動(dòng)將其關(guān)閉，也稱(chēng)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(kāi)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。

“這兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)——米勒鉗位和去飽和檢測(cè)——對(duì)于成功驅(qū)動(dòng) 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(shuō)。