助力半桥器件开关安全提速：技术突破与应用展望

在电力电子领域，半桥器件作为一种关键的电路拓扑结构，广泛应用于电机驱动、电源转换、逆变器等众多场景。半桥拓扑通常由两个开关器件(如 MOSFET 或 IGBT)组成，分别处于高边和低边，通过交替开关来精准控制负载的电流和电压。其工作原理并不复杂，高边导通、低边关断时，电流从电源正极经高边开关流向负载，再返回电源负极;低边导通、高边关断时，电流则从负载经低边开关流向地。然而，在实际运行过程中，半桥器件的开关安全与速度成为了影响系统性能与可靠性的关键因素。

以新能源汽车的车载充电器(OBC)和直流 - 直流转换器(DC/DC)为例，半桥器件在其中承担着功率转换的重任。在 OBC 中，需要将交流电高效稳定地转换为直流电为电池充电，这要求半桥器件能够快速、安全地切换，以实现高功率因数和低谐波失真。而在 DC/DC 转换器中，要实现不同电压等级之间的稳定转换，同样对半桥器件的开关性能提出了严苛要求。此外，在工业电机驱动领域，半桥器件控制电机的转速和扭矩，其开关速度和安全性直接关系到电机的运行效率与稳定性。

开关安全问题首当其冲。在诸如 OBC、DC/DC、工业电源以及电机驱动等桥式电路应用里，功率器件极易遭受串扰行为的困扰。特别是随着第三代功率器件如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)的广泛应用，问题愈发凸显。这些新型器件的门极阈值电压降低，最大耐受负压也减小，导致抑制寄生导通的电压裕量不断缩水。以 SiC 功率器件为例，其高 dv/dt 特性使得门极常常面临正负串扰电压幅度超出门极开启阈值及负向耐压极限的情况，这极有可能引发误导通或器件损伤，严重威胁系统安全。传统的半桥驱动芯片在应对这一问题时，通常需要对驱动电路进行精细调整，包括驱动参数、正负供电电压，以及优化 PCB 栅极寄生参数等。但即便如此，在很多复杂工况下，依然难以将正负串扰同时控制在安全余量内，这不仅限制了 SiC 等器件性能的充分发挥，还埋下了潜在的安全隐患。

开关速度也至关重要。开关速度直接影响着系统的功率密度和效率。以电机驱动为例，更快的开关速度意味着电机能够更快速、精准地响应控制信号，实现更平滑的转速调节，提升电机的动态性能。同时，高开关速度有助于减小磁性元件(如电感、变压器)的尺寸和重量，从而提高整个系统的功率密度，降低成本。然而，提高开关速度并非易事，它往往与开关损耗、电磁干扰(EMI)等问题相互制约。如果开关速度过快，功率器件在开关过程中的损耗会显著增加，导致器件发热严重，影响其寿命和可靠性。此外，快速的电压和电流变化还会产生较强的 EMI，干扰周围电子设备的正常运行。

为了应对上述挑战，众多企业和科研机构积极投入研发，取得了一系列令人瞩目的技术突破。纳芯微推出的车规级隔离半桥驱动芯片 NSI6602MxEx 系列堪称其中的佼佼者。该系列产品在纳芯微明星产品 NSI6602 的基础上，创新性地集成了 5A 能力的米勒钳位功能。这一功能犹如为半桥电路安装了一道坚固的 “安全闸”，能够为米勒电流提供最小阻抗释放路径，有效抑制串扰电压的抬升，极大地增强了半桥电路的安全性和可靠性。实验数据表明，在相同驱动参数与 layout 条件下，NSI6602MxEx 能显著抑制正负 Vswing，搭配适当负压关断后，可将门极串扰压制至安全范围以内。对于部分 Ciss/Crss 优化良好的器件，甚至无需负压，也能实现串扰可控，这无疑极大地降低了系统设计的复杂度。此外，NSI6602MxEx 还具备超强的驱动能力，最大可输出 10A 的拉灌电流，支持轨到轨输出，无论是驱动更大栅极电荷的功率管，还是在多管并联应用中，都无需额外添加缓冲器，即可实现高效驱动，简化了外围电路设计。其 32V 最大工作电压、极限 35V 的最大耐压，能够从容应对更高的 EOS 冲击，进一步提升了电路系统的可靠性。

梵塔推出的半桥 GaN(FCG65N150QF)同样令人眼前一亮。它创新性地将半桥驱动器、两个对称半桥配置的 650V 耐压、150mΩ 导阻的 GaN 晶体管以及自举二极管集成于一体。这种高度集成的设计从根源上削弱了寄生效应对电路性能的影响，大幅降低了开关损耗和寄生参数。该器件具备无反向恢复损耗的优良特性，开关延迟短，匹配误差小。芯片内置稳压器，低高两侧均配备 UVLO 保护功能，有效助力芯片稳定工作，提升内置 GaN 工作效率，确保系统安全、高效运转。同时，它还支持可编程死区时间，用户可根据实际产品需求精准、灵活配置，大大提高了使用的便利性与适配性。

在学术研究领域，北京大学魏进 / 王茂俊 / 沈波团队成功研制出无阈值电压负漂的 650V/10A 增强型 GaN 器件。他们提出的新型 Split-p-GaN 栅 HEMT(SPG-HEMT)器件，通过独特的栅极结构设计，有效抑制了漏极偏压导致的 Vth 负漂，大幅增强了器件的误开启鲁棒性。实验结果显示，传统器件在 VGS-OFF ≥ -0.4 V 时就发生了误开启，而新型 SPG-HEMT 在 VGS-OFF = 0 V 时仍能保持关闭状态，只有当 VGS-OFF ≥ +0.6 V 时才发生误开启。这一成果有望推动肖特基型 p-GaN 栅 HEMT 在工业 / 汽车等领域的广泛应用，为半桥器件的发展注入了新的活力。

展望未来，随着技术的不断进步，半桥器件在开关安全与速度方面有望取得更大的突破。一方面，在材料研究领域，新型半导体材料的研发将持续推进，有望进一步提升器件的性能。例如，基于氧化镓(Ga2O3)等新型宽禁带半导体材料的器件研究已取得初步进展，未来有望实现商业化应用，为半桥器件带来更高的耐压、更低的导通电阻和更快的开关速度。另一方面，在电路设计和集成技术方面，更高集成度的芯片将不断涌现，将驱动电路、保护电路、检测电路等功能进一步集成，实现更高效、更智能的控制。同时，智能化的控制算法也将应用于半桥器件的驱动中，根据实时工况动态调整开关策略，在确保开关安全的前提下，进一步提高开关速度和系统效率。此外，随着对能源效率和环境保护的要求日益提高，半桥器件在新能源发电、储能系统等领域的应用将更加广泛，这也将反过来推动相关技术的快速发展。

总之，助力半桥器件开关安全提速是一个涉及多学科、多领域的综合性课题，需要材料科学、电路设计、控制算法等多方面的协同创新。当前取得的技术成果已为相关应用领域带来了显著的提升，而未来的发展潜力更是巨大。相信在各方的共同努力下，半桥器件将在电力电子领域发挥更为重要的作用，为推动社会的可持续发展贡献力量。