先进的电源开关技术支持新兴应用

如今，新的功率开关技术正被广泛应用于要求高功率密度、高开关频率和小尺寸是关键要求的苛刻应用中。这些新开关器件发挥作用的三个关键应用是：

汽车（牵引逆变器、DC/DC 转换器和车载充电器）

工业/电机控制（负载点电源、不间断电源、机器人、电机控制）

电源/太阳能（太阳能逆变器、电信电源、服务器/云/PC电源）

功率开关要么使用传统的硅基技术，如MOSFET和绝缘栅双极晶体管 (IGBT)，要么使用较新的宽带隙半导体，如碳化硅和氮化镓。在相关应用中，汽车是近年来发展势头强劲的领域，主要是由于正在向电动汽车过渡以及电动汽车的逐步采用。

如图 1 所示，电动汽车集成了大量传感器和电子电路，包括高压总线（400 V、800 V 或更高）和本地低压总线。SiC 器件正在取代高压系统中的硅基器件，例如车载充电器、电池管理系统、主 DC/DC 转换器和牵引逆变器。

图 1：电动汽车系统中的开关技术

高压母线存在严重的安全问题，它必须与低压母线电隔离，同时仍允许在两个电压域之间双向交换信息。

Skyworks 隔离栅极驱动器

Skyworks Solutions 是一家为无线网络应用提供高度创新的模拟半导体的领先公司，最近完成了对 Silicon Labs 基础设施和汽车业务的收购。针对包括电动汽车和混合动力汽车在内的关键汽车领域的增长，Skyworks 为硅、GaN 和 SiC 电源开关提供高性能和强大的隔离式栅极驱动器。

Skyworks Solutions 产品经理 Charlie Ice 在 2021 年 PowerUP Expo 上举行了题为“驱动和保护未来的电源开关”的技术演讲，讨论了硅基和宽带隙功率器件的关键栅极驱动器要求和保护方法. 本文将介绍相同的主题。

“特别是在电动汽车中，我们必须确保高压侧和低压侧保持隔离，同时确保它们仍然可以通过该屏障进行通信和信息交换，”查理说。

隔离器件的特性对于 SiC 和 GaN 等新的开关技术更为重要，它们可以实现更高的效率，但更敏感，更容易损坏。因此，这些新的开关技术需要独特的保护才能安全可靠地运行。

传统上，电力电子系统依赖于 IGBT，这是在高功率和高电压条件下每瓦成本最低的解决方案。然而，IGBT 的开关速度较慢，从而限制了系统的效率。这就是 SiC 和 GaN 都介入以真正推动更高效率的地方。两者的一个缺点是它们不能像 IGBT 那样承受尽可能多的故障条件，这就是它们需要额外保护的原因。

在高压系统中，为了安全起见，我们必须将高压侧与低压侧分开。通常，设计人员决定将控制器保持在低压侧，以便远离噪声和大瞬态。控制器生成脉宽调制 (PWM) 信号，并将它们穿过隔离栅传递到栅极驱动器，该驱动器基本上将低压 PWM 信号放大为能够打开和关闭功率器件的更高信号。

隔离式栅极驱动器执行的两个主要功能是将 3V 或 5V 信号电平转换到 24V 或 30V 的较高电压轨，并提供开关电流以对栅极电容器进行充电/放电。通过添加电流隔离屏障，该器件实现了两个主要优点：

它提供输入到输出隔离，以保护控制器和可能的人员免受高压和电压瞬变的影响。

它有助于保持抗噪音运行以获得最佳效率。高压瞬变会中断操作，导致调制损失，从而导致效率损失。

隔离式栅极驱动器甚至可以安全地用于切换高功率开关，例如硅或超级结 MOSFET、IGBT，以及 GaN 和 SiC 等宽带隙开关。隔离式栅极驱动器有多种形式：单通道、双通道以及可以从单个 PWM 输入生成高侧和低侧信号的驱动器。

“我通常发现许多汽车系统使用单通道驱动器，因为它们使板层布局更容易；然而，双通道驱动器和高边/低边驱动器在电源系统中非常流行，”Charlie 说。

关于保护，关键方法之一是米勒钳。它的功能是监视栅极上的电压，如果它变得太高，它就会钳位它。基本上，它是一个主动监视器，可确保门始终关闭。然而，米勒钳位保护对于 SiC 和 GaN 功率器件来说是不够的，它们更敏感，损坏更快。为了驱动 SiC 或 GaN 器件，我们需要添加的另一个特性是去饱和检测和软关断，以提高它们的保护和使用寿命。

在大功率系统（例如牵引逆变器）中，功率设备遇到瞬时过流状况的情况并不少见。在这种情况下，具有去饱和检测功能的隔离式栅极驱动器可以监控电源开关两端的电压 (V CE )。如果它检测到其两端的电压过高（参见图 2），这表明存在故障情况，它会以一种非常安全的方式自动将其关闭，也称为软关机。但是，重要的是要足够快地关闭设备以避免损坏。在这里，我们可以看到开关设备的行为方式有何不同。例如，IGBT 需要在 3 µs 内关闭，而 SiC 器件需要在 1.2 µs 内关闭，GaN 器件需要在 200 ns 内关闭。

图 2：带故障指示的去饱和保护

“这两项关键技术——米勒钳位和去饱和检测——对于成功驱动 SiC 和 GaN 以及使系统可靠并且在许多方面安全，已经变得非常关键，”Charlie 说。

审核编辑 黄昊宇