驱动和保护电源开关的先进解决方案

今天，新的功率开关技术被广泛采用在高功率密度、高开关频率、小外形因素是关键要求的要求应用中。这些新的开关设备产生不同的三个关键应用是：

汽车(牵引逆变器、直流/直流转换器和车载充电器)

工业/电机控制(负荷点电源、不间断电源、机器人技术、电机控制)

电源/太阳能电源(太阳能逆变器、电信电源、服务器/云电源/PC电源)

电源开关要么使用传统的硅基技术，如MOSFETs和绝缘栅极双极晶体管(iGbT)，要么使用最近的宽带隙半导体，如碳化硅和氮化镓。在相关应用中，汽车是近年来获得更多势头的行业，主要是由于正在经历向电子移动性的过渡和电动汽车的逐步采用。

电动汽车集成了多种传感器和电子电路，包括一个高压母线(400 V、800 V或更多)和一个本地低压总线。碳化硅设备正在取代高压系统中的硅基设备，如车载充电器、电池管理系统、主直流/直流转换器和牵引逆变器。

高压母线存在严重的安全问题，它必须与低压母线进行电隔离，同时仍然允许两个电压域之间在两个方向上的信息交换。

Skyworks隔离门驱动程序

Skyworks解决方案是一家为无线网络应用提供高度创新的模拟半导体的领先公司，最近完成了对硅实验室的基础设施和汽车业务的收购。针对包括电动和混合动力汽车在内的关键汽车领域的增长，天空工厂为硅、氮化镓和碳化硅电源开关提供高性能和强大的隔离门驱动器。

Skyworks解决方案公司的产品经理查理·伊斯在2021年PowerUP博览会上举行了一场关于“驱动和保护未来的电源开关”的技术演讲，谈到了硅基和宽带隙电源设备的关键门驱动器要求和保护方法。本文也将介绍同样的主题。

查理说：“特别是在电动汽车中，我们必须确保高压侧和低压侧保持隔离，同时确保它们仍然可以通过这个障碍进行交流和交换信息。”

隔离装置的特性对于新的开关技术来说更重要，它们可以实现更高的效率，但更敏感，更容易损坏。因此，这些新的开关技术需要独特的保护，以安全可靠地运行。

传统上，电力电子系统依赖于igbt，这是在高功率和高电压下每瓦特最便宜的解决方案。然而，igbt的切换速度较慢，从而限制了系统的效率。这就是碳化硅和氮化镓都曾介入以真正提高效率的地方。两者的一个缺点是，它们不能像IGBT那样承受尽可能多的故障条件，这就是为什么它们需要额外的保护。

1. 在高压系统中，出于安全原因，我们必须将高压侧和低压侧分开。通常，设计师决定将控制器保持在低压侧，以便它远离噪音和大的瞬变。控制器产生脉冲宽调制(PWM)信号，并将它们通过隔离屏障传递到栅极驱动器，这基本上将低压PWM信号放大到一个更高的信号，能够使电源设备打开和关闭。隔离栅驱动器执行的两个主要功能是将3V或5V信号电平移到24 V或30 V的高压轨道，并为栅电容器充电/放电提供开关电流。通过增加一个电流隔离屏障，该装置实现了两个主要优点：

2. 它提供了输入到输出的隔离，以保护控制器，甚至可能是人员，从高压和电压瞬态。

3. 它有助于保持噪音免疫操作，以达到最佳的效率。高压瞬态会扰乱操作，导致调制的损失，从而失去效率。

隔离的栅极驱动器甚至可以安全地用于开关高功率开关，如硅或超结MOSFETs、igbt，以及宽带隙开关，如氮化镓和碳化硅。隔离门驱动器有多种类型可供选择：单通道、双通道，以及可以从单个PWM输入产生高侧和低侧信号的驱动器。

“我通常发现，许多汽车系统使用单通道驱动程序，因为他们使板层布局更容易;然而，双通道驱动器和高侧/低侧驱动器在电源系统中非常受欢迎，”查理说。

关于保护，关键的方法之一是米勒钳。它的功能是监控栅极上的电压，如果电压过高，它就会夹住它。基本上，它是一个主动的监视器，以确保门总是关闭的。然而，Miller钳夹保护对于碳化硅和氮化镓电源设备还不够，它们更灵敏，损坏速度更快。我们在驱动碳化硅或氮化镓设备时需要添加的另一个功能，提高它们的保护和寿命，是去饱和检测和软关闭。

在高功率系统中，如牵引逆变器，电力设备经历短暂的过流状态并不少见。在这种情况下，带有去检测的隔离栅驱动器可以监测电源开关的电压(VCE)。如果它检测到太多的电压，这将表明一个故障情况，它会自动以一种非常安全的方式关闭它，也称为软关机。然而，重要的是要足够快地关闭设备，以避免被损坏。在这里，我们可以看到交换设备的行为是如何不同的。例如，IGBT需要在3µs内关闭，而碳化硅设备需要在1.2µs内关闭，氮化镓设备需要在200 ns内关闭。

查理说：“这是两种关键技术——米勒钳夹和去饱和检测——对于成功驾驶碳化硅和氮化镓、使系统可靠和在许多方面的安全至关重要。”