驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電源開關(guān)的先進(jìn)解決方案

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(yīng)用中。這些新的開關(guān)設(shè)備產(chǎn)生不同的三個(gè)關(guān)鍵應(yīng)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(jī)控制(負(fù)荷點(diǎn)電源、不間斷電源、機(jī)器人技術(shù)、電機(jī)控制)

電源/太陽(yáng)能電源(太陽(yáng)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(dǎo)體，如碳化硅和氮化鎵。在相關(guān)應(yīng)用中，汽車是近年來(lái)獲得更多勢(shì)頭的行業(yè)，主要是由于正在經(jīng)歷向電子移動(dòng)性的過渡和電動(dòng)汽車的逐步采用。

電動(dòng)汽車集成了多種傳感器和電子電路，包括一個(gè)高壓母線(400 V、800 V或更多)和一個(gè)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(yán)重的安全問題，它必須與低壓母線進(jìn)行電隔離，同時(shí)仍然允許兩個(gè)電壓域之間在兩個(gè)方向上的信息交換。

Skyworks隔離門驅(qū)動(dòng)程序

Skyworks解決方案是一家為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供高度創(chuàng)新的模擬半導(dǎo)體的領(lǐng)先公司，最近完成了對(duì)硅實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)設(shè)施和汽車業(yè)務(wù)的收購(gòu)。針對(duì)包括電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車在內(nèi)的關(guān)鍵汽車領(lǐng)域的增長(zhǎng)，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(qiáng)大的隔離門驅(qū)動(dòng)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(huì)上舉行了一場(chǎng)關(guān)于“驅(qū)動(dòng)和保護(hù)未來(lái)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(dòng)器要求和保護(hù)方法。本文也將介紹同樣的主題。

查理說(shuō)：“特別是在電動(dòng)汽車中，我們必須確保高壓側(cè)和低壓側(cè)保持隔離，同時(shí)確保它們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^這個(gè)障礙進(jìn)行交流和交換信息?！?

隔離裝置的特性對(duì)于新的開關(guān)技術(shù)來(lái)說(shuō)更重要，它們可以實(shí)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(dú)特的保護(hù)，以安全可靠地運(yùn)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(gè)缺點(diǎn)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(hù)。

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(jì)師決定將控制器保持在低壓側(cè)，以便它遠(yuǎn)離噪音和大的瞬變。控制器產(chǎn)生脈沖寬調(diào)制(PWM)信號(hào)，并將它們通過隔離屏障傳遞到柵極驅(qū)動(dòng)器，這基本上將低壓PWM信號(hào)放大到一個(gè)更高的信號(hào)，能夠使電源設(shè)備打開和關(guān)閉。隔離柵驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行的兩個(gè)主要功能是將3V或5V信號(hào)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(gè)電流隔離屏障，該裝置實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：

2. 它提供了輸入到輸出的隔離，以保護(hù)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(dá)到最佳的效率。高壓瞬態(tài)會(huì)擾亂操作，導(dǎo)致調(diào)制的損失，從而失去效率。

隔離的柵極驅(qū)動(dòng)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(dòng)器有多種類型可供選擇：?jiǎn)瓮ǖ?、雙通道，以及可以從單個(gè)PWM輸入產(chǎn)生高側(cè)和低側(cè)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)器。

“我通常發(fā)現(xiàn)，許多汽車系統(tǒng)使用單通道驅(qū)動(dòng)程序，因?yàn)樗麄兪拱鍖硬季指菀?然而，雙通道驅(qū)動(dòng)器和高側(cè)/低側(cè)驅(qū)動(dòng)器在電源系統(tǒng)中非常受歡迎，”查理說(shuō)。

關(guān)于保護(hù)，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(huì)夾住它?；旧希且粋€(gè)主動(dòng)的監(jiān)視器，以確保門總是關(guān)閉的。然而，Miller鉗夾保護(hù)對(duì)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?cè)隍?qū)動(dòng)碳化硅或氮化鎵設(shè)備時(shí)需要添加的另一個(gè)功能，提高它們的保護(hù)和壽命，是去飽和檢測(cè)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(cè)的隔離柵驅(qū)動(dòng)器可以監(jiān)測(cè)電源開關(guān)的電壓(VCE)。如果它檢測(cè)到太多的電壓，這將表明一個(gè)故障情況，它會(huì)自動(dòng)以一種非常安全的方式關(guān)閉它，也稱為軟關(guān)機(jī)。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(shuō)：“這是兩種關(guān)鍵技術(shù)——米勒鉗夾和去飽和檢測(cè)——對(duì)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?！?