今天，新的功率開關(guān)技術(shù)被廣泛采用在高功率密度、高開關(guān)頻率、小外形因素是關(guān)鍵要求的要求應用中。這些新的開關(guān)設(shè)備產(chǎn)生不同的三個關(guān)鍵應用是：

汽車(牽引逆變器、直流/直流轉(zhuǎn)換器和車載充電器)

工業(yè)/電機控制(負荷點電源、不間斷電源、機器人技術(shù)、電機控制)

電源/太陽能電源(太陽能逆變器、電信電源、服務(wù)器/云電源/PC電源)

電源開關(guān)要么使用傳統(tǒng)的硅基技術(shù)，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(guān)應用中，汽車是近年來獲得更多勢頭的行業(yè)，主要是由于正在經(jīng)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(shè)備正在取代高壓系統(tǒng)中的硅基設(shè)備，如車載充電器、電池管理系統(tǒng)、主直流/直流轉(zhuǎn)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(qū)動程序

Skyworks解決方案是一家為無線網(wǎng)絡(luò)應用提供高度創(chuàng)新的模擬半導體的領(lǐng)先公司，最近完成了對硅實驗室的基礎(chǔ)設(shè)施和汽車業(yè)務(wù)的收購。針對包括電動和混合動力汽車在內(nèi)的關(guān)鍵汽車領(lǐng)域的增長，天空工廠為硅、氮化鎵和碳化硅電源開關(guān)提供高性能和強大的隔離門驅(qū)動器。

Skyworks解決方案公司的產(chǎn)品經(jīng)理查理·伊斯在2021年P(guān)owerUP博覽會上舉行了一場關(guān)于“驅(qū)動和保護未來的電源開關(guān)”的技術(shù)演講，談到了硅基和寬帶隙電源設(shè)備的關(guān)鍵門驅(qū)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(cè)和低壓側(cè)保持隔離，同時確保它們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^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(guān)技術(shù)來說更重要，它們可以實現(xiàn)更高的效率，但更敏感，更容易損壞。因此，這些新的開關(guān)技術(shù)需要獨特的保護，以安全可靠地運行。

傳統(tǒng)上，電力電子系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)中，出于安全原因，我們必須將高壓側(cè)和低壓側(cè)分開。通常，設(shè)計師決定將控制器保持在低壓側(cè)，以便它遠離噪音和大的瞬變?？刂破鳟a(chǎn)生脈沖寬調(diào)制(PWM)信號，并將它們通過隔離屏障傳遞到柵極驅(qū)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(shè)備打開和關(guān)閉。隔離柵驅(qū)動器執(zhí)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(guān)電流。通過增加一個電流隔離屏障，該裝置實現(xiàn)了兩個主要優(yōu)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(tài)。

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(tài)會擾亂操作，導致調(diào)制的損失，從而失去效率。

隔離的柵極驅(qū)動器甚至可以安全地用于開關(guān)高功率開關(guān)，如硅或超結(jié)MOSFETs、igbt，以及寬帶隙開關(guān)，如氮化鎵和碳化硅。隔離門驅(qū)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(chǎn)生高側(cè)和低側(cè)信號的驅(qū)動器。

“我通常發(fā)現(xiàn)，許多汽車系統(tǒng)使用單通道驅(qū)動程序，因為他們使板層布局更容易;然而，雙通道驅(qū)動器和高側(cè)/低側(cè)驅(qū)動器在電源系統(tǒng)中非常受歡迎，”查理說。

關(guān)于保護，關(guān)鍵的方法之一是米勒鉗。它的功能是監(jiān)控柵極上的電壓，如果電壓過高，它就會夾住它?；旧?，它是一個主動的監(jiān)視器，以確保門總是關(guān)閉的。然而，Miller鉗夾保護對于碳化硅和氮化鎵電源設(shè)備還不夠，它們更靈敏，損壞速度更快。我們在驅(qū)動碳化硅或氮化鎵設(shè)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(guān)閉。

在高功率系統(tǒng)中，如牽引逆變器，電力設(shè)備經(jīng)歷短暫的過流狀態(tài)并不少見。在這種情況下，帶有去檢測的隔離柵驅(qū)動器可以監(jiān)測電源開關(guān)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(guān)閉它，也稱為軟關(guān)機。然而，重要的是要足夠快地關(guān)閉設(shè)備，以避免被損壞。在這里，我們可以看到交換設(shè)備的行為是如何不同的。例如，IGBT需要在3μs內(nèi)關(guān)閉，而碳化硅設(shè)備需要在1.2μs內(nèi)關(guān)閉，氮化鎵設(shè)備需要在200 ns內(nèi)關(guān)閉。

查理說：“這是兩種關(guān)鍵技術(shù)——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(tǒng)可靠和在許多方面的安全至關(guān)重要?！?