驅動和保護電源開關的先進解決方案

　   汽車(牽引逆變器、直流/直流轉換器和車載充電器)

　　工業/電機控制(負荷點電源、不間斷電源、機器人技術、電機控制)

　　電源/太陽能電源(太陽能逆變器、電信電源、服務器/云電源/PC電源)

　　電源開關要么使用傳統的硅基技術，如MOSFETs和絕緣柵極雙極晶體管(iGbT)，要么使用最近的寬帶隙半導體，如碳化硅和氮化鎵。在相關應用中，汽車是近年來獲得更多勢頭的行業，主要是由于正在經歷向電子移動性的過渡和電動汽車的逐步采用。

　　電動汽車集成了多種傳感器和電子電路，包括一個高壓母線(400 V、800 V或更多)和一個本地低壓總線。碳化硅設備正在取代高壓系統中的硅基設備，如車載充電器、電池管理系統、主直流/直流轉換器和牽引逆變器。

　　高壓母線存在嚴重的安全問題，它必須與低壓母線進行電隔離，同時仍然允許兩個電壓域之間在兩個方向上的信息交換。

　　Skyworks隔離門驅動程序

　　Skyworks解決方案是一家為無線網絡應用提供高度創新的模擬半導體的領先公司，最近完成了對硅實驗室的基礎設施和汽車業務的收購。針對包括電動和混合動力汽車在內的關鍵汽車領域的增長，天空工廠為硅、氮化鎵和碳化硅電源開關提供高性能和強大的隔離門驅動器。

　　Skyworks解決方案公司的產品經理查理·伊斯在2021年PowerUP博覽會上舉行了一場關于“驅動和保護未來的電源開關”的技術演講，談到了硅基和寬帶隙電源設備的關鍵門驅動器要求和保護方法。本文也將介紹同樣的主題。

　　查理說：“特別是在電動汽車中，我們必須確保高壓側和低壓側保持隔離，同時確保它們仍然可以通過這個障礙進行交流和交換信息。”

　　隔離裝置的特性對于新的開關技術來說更重要，它們可以實現更高的效率，但更敏感，更容易損壞。因此，這些新的開關技術需要獨特的保護，以安全可靠地運行。

　　傳統上，電力電子系統依賴于igbt，這是在高功率和高電壓下每瓦特最便宜的解決方案。然而，igbt的切換速度較慢，從而限制了系統的效率。這就是碳化硅和氮化鎵都曾介入以真正提高效率的地方。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，這就是為什么它們需要額外的保護。

　　1. 在高壓系統中，出于安全原因，我們必須將高壓側和低壓側分開。通常，設計師決定將控制器保持在低壓側，以便它遠離噪音和大的瞬變。控制器產生脈沖寬調制(PWM)信號，并將它們通過隔離屏障傳遞到柵極驅動器，這基本上將低壓PWM信號放大到一個更高的信號，能夠使電源設備打開和關閉。隔離柵驅動器執行的兩個主要功能是將3V或5V信號電平移到24 V或30 V的高壓軌道，并為柵電容器充電/放電提供開關電流。通過增加一個電流隔離屏障，該裝置實現了兩個主要優點：

　　2. 它提供了輸入到輸出的隔離，以保護控制器，甚至可能是人員，從高壓和電壓瞬態。

　　3. 它有助于保持噪音免疫操作，以達到最佳的效率。高壓瞬態會擾亂操作，導致調制的損失，從而失去效率。

　　隔離的柵極驅動器甚至可以安全地用于開關高功率開關，如硅或超結MOSFETs、igbt，以及寬帶隙開關，如氮化鎵和碳化硅。隔離門驅動器有多種類型可供選擇：單通道、雙通道，以及可以從單個PWM輸入產生高側和低側信號的驅動器。

　　“我通常發現，許多汽車系統使用單通道驅動程序，因為他們使板層布局更容易;然而，雙通道驅動器和高側/低側驅動器在電源系統中非常受歡迎，”查理說。

　　關于保護，關鍵的方法之一是米勒鉗。它的功能是監控柵極上的電壓，如果電壓過高，它就會夾住它。基本上，它是一個主動的監視器，以確保門總是關閉的。然而，Miller鉗夾保護對于碳化硅和氮化鎵電源設備還不夠，它們更靈敏，損壞速度更快。我們在驅動碳化硅或氮化鎵設備時需要添加的另一個功能，提高它們的保護和壽命，是去飽和檢測和軟關閉。

　　在高功率系統中，如牽引逆變器，電力設備經歷短暫的過流狀態并不少見。在這種情況下，帶有去檢測的隔離柵驅動器可以監測電源開關的電壓(VCE)。如果它檢測到太多的電壓，這將表明一個故障情況，它會自動以一種非常安全的方式關閉它，也稱為軟關機。然而，重要的是要足夠快地關閉設備，以避免被損壞。在這里，我們可以看到交換設備的行為是如何不同的。例如，IGBT需要在3µs內關閉，而碳化硅設備需要在1.2µs內關閉，氮化鎵設備需要在200 ns內關閉。

　　查理說：“這是兩種關鍵技術——米勒鉗夾和去飽和檢測——對于成功駕駛碳化硅和氮化鎵、使系統可靠和在許多方面的安全至關重要。”