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如今，新的功率開關技術正被廣泛應用于要求高功率密度、高開關頻率和小尺寸是關鍵要求的苛刻應用中。這些新開關器件發揮作用的三個關鍵應用是：

汽車（牽引逆變器、DC/DC 轉換器和車載充電器）

工業/電機控制（負載點電源、不間斷電源、機器人、電機控制）

電源/太陽能（太陽能逆變器、電信電源、服務器/云/PC電源）

功率開關要么使用傳統的硅基技術，如MOSFET和絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)，要么使用較新的寬帶隙半導體，如碳化硅和氮化鎵。在相關應用中，汽車是近年來發展勢頭強勁的領域，主要是由于正在向電動汽車過渡以及電動汽車的逐步采用。

如圖 1 所示，電動汽車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中的硅基器件，例如車載充電器、電池管理系統、主 DC/DC 轉換器和牽引逆變器。

圖 1：電動汽車系統中的開關技術

高壓母線存在嚴重的安全問題，它必須與低壓母線電隔離，同時仍允許在兩個電壓域之間雙向交換信息。

Skyworks 隔離柵極驅動器

Skyworks Solutions 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 Silicon Labs 基礎設施和汽車業務的收購。針對包括電動汽車和混合動力汽車在內的關鍵汽車領域的增長，Skyworks 為硅、GaN 和 SiC 電源開關提供高性能和強大的隔離式柵極驅動器。

Skyworks Solutions 產品經理 Charlie Ice 在 2021 年 PowerUP Expo 上舉行了題為“驅動和保護未來的電源開關”的技術演講，討論了硅基和寬帶隙功率器件的關鍵柵極驅動器要求和保護方法. 本文將介紹相同的主題。

“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該屏障進行通信和信息交換，”查理說。

隔離器件的特性對于 SiC 和 GaN 等新的開關技術更為重要，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才能安全可靠地運行。

傳統上，電力電子系統依賴于 IGBT，這是在高功率和高電壓條件下每瓦成本最低的解決方案。然而，IGBT 的開關速度較慢，從而限制了系統的效率。這就是 SiC 和 GaN 都介入以真正推動更高效率的地方。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，這就是它們需要額外保護的原因。

在高壓系統中，為了安全起見，我們必須將高壓側與低壓側分開。通常，設計人員決定將控制器保持在低壓側，以便遠離噪聲和大瞬態。控制器生成脈寬調制 (PWM) 信號，并將它們穿過隔離柵傳遞到柵極驅動器，該驅動器基本上將低壓 PWM 信號放大為能夠打開和關閉功率器件的更高信號。

隔離式柵極驅動器執行的兩個主要功能是將 3V 或 5V 信號電平轉換到 24V 或 30V 的較高電壓軌，并提供開關電流以對柵極電容器進行充電/放電。通過添加電流隔離屏障，該器件實現了兩個主要優點：

它提供輸入到輸出隔離，以保護控制器和可能的人員免受高壓和電壓瞬變的影響。

它有助于保持抗噪音運行以獲得最佳效率。高壓瞬變會中斷操作，導致調制損失，從而導致效率損失。

隔離式柵極驅動器甚至可以安全地用于切換高功率開關，例如硅或超級結 MOSFET、IGBT，以及 GaN 和 SiC 等寬帶隙開關。隔離式柵極驅動器有多種形式：單通道、雙通道以及可以從單個 PWM 輸入生成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器，因為它們使板層布局更容易；然而，雙通道驅動器和高邊/低邊驅動器在電源系統中非常流行，”Charlie 說。

關于保護，關鍵方法之一是米勒鉗。它的功能是監視柵極上的電壓，如果它變得太高，它就會鉗位它。基本上，它是一個主動監視器，可確保門始終關閉。然而，米勒鉗位保護對于 SiC 和 GaN 功率器件來說是不夠的，它們更敏感，損壞更快。為了驅動 SiC 或 GaN 器件，我們需要添加的另一個特性是去飽和檢測和軟關斷，以提高它們的保護和使用壽命。

在大功率系統（例如牽引逆變器）中，功率設備遇到瞬時過流狀況的情況并不少見。在這種情況下，具有去飽和檢測功能的隔離式柵極驅動器可以監控電源開關兩端的電壓 (V CE )。如果它檢測到其兩端的電壓過高（參見圖 2），這表明存在故障情況，它會以一種非常安全的方式自動將其關閉，也稱為軟關機。但是，重要的是要足夠快地關閉設備以避免損壞。在這里，我們可以看到開關設備的行為方式有何不同。例如，IGBT 需要在 3 μs 內關閉，而 SiC 器件需要在 1.2 μs 內關閉，GaN 器件需要在 200 ns 內關閉。