助力半橋器件開關(guān)安全提速:技術(shù)突破與應(yīng)用展望
在電力電子領(lǐng)域,半橋器件作為一種關(guān)鍵的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),廣泛應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電源轉(zhuǎn)換、逆變器等眾多場(chǎng)景。半橋拓?fù)渫ǔS蓛蓚€(gè)開關(guān)器件(如 MOSFET 或 IGBT)組成,分別處于高邊和低邊,通過交替開關(guān)來(lái)精準(zhǔn)控制負(fù)載的電流和電壓。其工作原理并不復(fù)雜,高邊導(dǎo)通、低邊關(guān)斷時(shí),電流從電源正極經(jīng)高邊開關(guān)流向負(fù)載,再返回電源負(fù)極;低邊導(dǎo)通、高邊關(guān)斷時(shí),電流則從負(fù)載經(jīng)低邊開關(guān)流向地。然而,在實(shí)際運(yùn)行過程中,半橋器件的開關(guān)安全與速度成為了影響系統(tǒng)性能與可靠性的關(guān)鍵因素。
以新能源汽車的車載充電器(OBC)和直流 - 直流轉(zhuǎn)換器(DC/DC)為例,半橋器件在其中承擔(dān)著功率轉(zhuǎn)換的重任。在 OBC 中,需要將交流電高效穩(wěn)定地轉(zhuǎn)換為直流電為電池充電,這要求半橋器件能夠快速、安全地切換,以實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)和低諧波失真。而在 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中,要實(shí)現(xiàn)不同電壓等級(jí)之間的穩(wěn)定轉(zhuǎn)換,同樣對(duì)半橋器件的開關(guān)性能提出了嚴(yán)苛要求。此外,在工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域,半橋器件控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩,其開關(guān)速度和安全性直接關(guān)系到電機(jī)的運(yùn)行效率與穩(wěn)定性。
開關(guān)安全問題首當(dāng)其沖。在諸如 OBC、DC/DC、工業(yè)電源以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)等橋式電路應(yīng)用里,功率器件極易遭受串?dāng)_行為的困擾。特別是隨著第三代功率器件如碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)的廣泛應(yīng)用,問題愈發(fā)凸顯。這些新型器件的門極閾值電壓降低,最大耐受負(fù)壓也減小,導(dǎo)致抑制寄生導(dǎo)通的電壓裕量不斷縮水。以 SiC 功率器件為例,其高 dv/dt 特性使得門極常常面臨正負(fù)串?dāng)_電壓幅度超出門極開啟閾值及負(fù)向耐壓極限的情況,這極有可能引發(fā)誤導(dǎo)通或器件損傷,嚴(yán)重威脅系統(tǒng)安全。傳統(tǒng)的半橋驅(qū)動(dòng)芯片在應(yīng)對(duì)這一問題時(shí),通常需要對(duì)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行精細(xì)調(diào)整,包括驅(qū)動(dòng)參數(shù)、正負(fù)供電電壓,以及優(yōu)化 PCB 柵極寄生參數(shù)等。但即便如此,在很多復(fù)雜工況下,依然難以將正負(fù)串?dāng)_同時(shí)控制在安全余量?jī)?nèi),這不僅限制了 SiC 等器件性能的充分發(fā)揮,還埋下了潛在的安全隱患。
開關(guān)速度也至關(guān)重要。開關(guān)速度直接影響著系統(tǒng)的功率密度和效率。以電機(jī)驅(qū)動(dòng)為例,更快的開關(guān)速度意味著電機(jī)能夠更快速、精準(zhǔn)地響應(yīng)控制信號(hào),實(shí)現(xiàn)更平滑的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),提升電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能。同時(shí),高開關(guān)速度有助于減小磁性元件(如電感、變壓器)的尺寸和重量,從而提高整個(gè)系統(tǒng)的功率密度,降低成本。然而,提高開關(guān)速度并非易事,它往往與開關(guān)損耗、電磁干擾(EMI)等問題相互制約。如果開關(guān)速度過快,功率器件在開關(guān)過程中的損耗會(huì)顯著增加,導(dǎo)致器件發(fā)熱嚴(yán)重,影響其壽命和可靠性。此外,快速的電壓和電流變化還會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的 EMI,干擾周圍電子設(shè)備的正常運(yùn)行。
為了應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn),眾多企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)積極投入研發(fā),取得了一系列令人矚目的技術(shù)突破。納芯微推出的車規(guī)級(jí)隔離半橋驅(qū)動(dòng)芯片 NSI6602MxEx 系列堪稱其中的佼佼者。該系列產(chǎn)品在納芯微明星產(chǎn)品 NSI6602 的基礎(chǔ)上,創(chuàng)新性地集成了 5A 能力的米勒鉗位功能。這一功能猶如為半橋電路安裝了一道堅(jiān)固的 “安全閘”,能夠?yàn)槊桌针娏魈峁┳钚∽杩贯尫怕窂?,有效抑制串?dāng)_電壓的抬升,極大地增強(qiáng)了半橋電路的安全性和可靠性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,在相同驅(qū)動(dòng)參數(shù)與 layout 條件下,NSI6602MxEx 能顯著抑制正負(fù) Vswing,搭配適當(dāng)負(fù)壓關(guān)斷后,可將門極串?dāng)_壓制至安全范圍以內(nèi)。對(duì)于部分 Ciss/Crss 優(yōu)化良好的器件,甚至無(wú)需負(fù)壓,也能實(shí)現(xiàn)串?dāng)_可控,這無(wú)疑極大地降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。此外,NSI6602MxEx 還具備超強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力,最大可輸出 10A 的拉灌電流,支持軌到軌輸出,無(wú)論是驅(qū)動(dòng)更大柵極電荷的功率管,還是在多管并聯(lián)應(yīng)用中,都無(wú)需額外添加緩沖器,即可實(shí)現(xiàn)高效驅(qū)動(dòng),簡(jiǎn)化了外圍電路設(shè)計(jì)。其 32V 最大工作電壓、極限 35V 的最大耐壓,能夠從容應(yīng)對(duì)更高的 EOS 沖擊,進(jìn)一步提升了電路系統(tǒng)的可靠性。
梵塔推出的半橋 GaN(FCG65N150QF)同樣令人眼前一亮。它創(chuàng)新性地將半橋驅(qū)動(dòng)器、兩個(gè)對(duì)稱半橋配置的 650V 耐壓、150mΩ 導(dǎo)阻的 GaN 晶體管以及自舉二極管集成于一體。這種高度集成的設(shè)計(jì)從根源上削弱了寄生效應(yīng)對(duì)電路性能的影響,大幅降低了開關(guān)損耗和寄生參數(shù)。該器件具備無(wú)反向恢復(fù)損耗的優(yōu)良特性,開關(guān)延遲短,匹配誤差小。芯片內(nèi)置穩(wěn)壓器,低高兩側(cè)均配備 UVLO 保護(hù)功能,有效助力芯片穩(wěn)定工作,提升內(nèi)置 GaN 工作效率,確保系統(tǒng)安全、高效運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí),它還支持可編程死區(qū)時(shí)間,用戶可根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品需求精準(zhǔn)、靈活配置,大大提高了使用的便利性與適配性。
在學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域,北京大學(xué)魏進(jìn) / 王茂俊 / 沈波團(tuán)隊(duì)成功研制出無(wú)閾值電壓負(fù)漂的 650V/10A 增強(qiáng)型 GaN 器件。他們提出的新型 Split-p-GaN 柵 HEMT(SPG-HEMT)器件,通過獨(dú)特的柵極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),有效抑制了漏極偏壓導(dǎo)致的 Vth 負(fù)漂,大幅增強(qiáng)了器件的誤開啟魯棒性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,傳統(tǒng)器件在 VGS-OFF ≥ -0.4 V 時(shí)就發(fā)生了誤開啟,而新型 SPG-HEMT 在 VGS-OFF = 0 V 時(shí)仍能保持關(guān)閉狀態(tài),只有當(dāng) VGS-OFF ≥ +0.6 V 時(shí)才發(fā)生誤開啟。這一成果有望推動(dòng)肖特基型 p-GaN 柵 HEMT 在工業(yè) / 汽車等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,為半橋器件的發(fā)展注入了新的活力。
展望未來(lái),隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,半橋器件在開關(guān)安全與速度方面有望取得更大的突破。一方面,在材料研究領(lǐng)域,新型半導(dǎo)體材料的研發(fā)將持續(xù)推進(jìn),有望進(jìn)一步提升器件的性能。例如,基于氧化鎵(Ga2O3)等新型寬禁帶半導(dǎo)體材料的器件研究已取得初步進(jìn)展,未來(lái)有望實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用,為半橋器件帶來(lái)更高的耐壓、更低的導(dǎo)通電阻和更快的開關(guān)速度。另一方面,在電路設(shè)計(jì)和集成技術(shù)方面,更高集成度的芯片將不斷涌現(xiàn),將驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、檢測(cè)電路等功能進(jìn)一步集成,實(shí)現(xiàn)更高效、更智能的控制。同時(shí),智能化的控制算法也將應(yīng)用于半橋器件的驅(qū)動(dòng)中,根據(jù)實(shí)時(shí)工況動(dòng)態(tài)調(diào)整開關(guān)策略,在確保開關(guān)安全的前提下,進(jìn)一步提高開關(guān)速度和系統(tǒng)效率。此外,隨著對(duì)能源效率和環(huán)境保護(hù)的要求日益提高,半橋器件在新能源發(fā)電、儲(chǔ)能系統(tǒng)等領(lǐng)域的應(yīng)用將更加廣泛,這也將反過來(lái)推動(dòng)相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展。
總之,助力半橋器件開關(guān)安全提速是一個(gè)涉及多學(xué)科、多領(lǐng)域的綜合性課題,需要材料科學(xué)、電路設(shè)計(jì)、控制算法等多方面的協(xié)同創(chuàng)新。當(dāng)前取得的技術(shù)成果已為相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域帶來(lái)了顯著的提升,而未來(lái)的發(fā)展?jié)摿Ω蔷薮?。相信在各方的共同努力下,半橋器件將在電力電子領(lǐng)域發(fā)揮更為重要的作用,為推動(dòng)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。