用于SiC MOSFET的栅极驱动器

STMicroelectronics (ST) 的 STGAP2SiCSN 单通道栅极驱动器旨在调节碳化硅 (SiC) MOSFET。它采用窄体 SO-8 封装，可节省空间并具有精确的PWM 控制。据 ST 称，随着 SiC 技术被更广泛地用于提高功率转换效率，STGAP2SiCSN 简化了节能电源系统、驱动器和控制器的设计。开关模式电源、高压功率因数校正 (PFC)、DC/DC 转换器、不间断电源、太阳能、电机驱动、风扇、工厂自动化、家用电器和感应加热是其中一些应用。

碳化硅驱动器

SiC 栅极驱动器使用隔离设计构建单个芯片，隔离确保来自微控制器的低压命令与高压功率级驱动分开。意法半导体产品营销经理卡罗琳娜·塞尔瓦（Carolina Selva）在接受 Power 采访时表示：“由于 SiC 功率级的卓越性能和最新的车载充电器，最新的牵引逆变器架构采用了用于 SiC 的隔离式栅极驱动器。电子新闻。“转向 EV [电动汽车] 的工业方面，用于SiC的隔离式栅极驱动器用于 EV充电器和电源墙。”

据 ST 称，由于许多政府的推动以及许多汽车制造商相应地将生产从内燃机转向电动汽车的决定，电动汽车市场正在快速增长和发展。“原始设备制造商、一级供应商和功率半导体业务正在发生变化和发展，以跟上电动汽车的动态增长，”塞尔瓦说。“电力电子设备是车辆电气化的关键部件。工艺技术、集成、系统架构和封装是电动汽车领域未来获胜的四个关键因素。下一个电动汽车市场面临的最大挑战是准备好合适的产品来满足电动汽车系统的要求。”

栅极驱动器 IC 是该系统的关键资产。Selva 认为，意法半导体正在与美国、欧洲和中国电动汽车市场的主要参与者合作，为电动汽车基础设施提供栅极驱动器解决方案。“STGAP2SiC 针对 SiC 的使用进行了优化，以便在功率传输方面提供最佳效率，”Selva 说。“这转化为具有正确功能的栅极驱动器，允许系统设计人员利用 SiC 的大部分功能，同时对功率级进行非常稳健的控制并确保完美驱动。”

STGAP2SiCSN

STGAP2SiCSN 在栅极驱动通道和低压控制之间采用电流隔离，可在高压轨上以高达 1,700 V 的电压运行。“电隔离集成对工业市场发展具有战略意义，”塞尔瓦说。“由于在驱动器内部集成了更多功能，电流隔离的集成方法提供了高功率密度，从而减少了 BOM 和布局尺寸，并在优化性能精度的同时实现了紧凑的嵌入式单芯片解决方案，这是成为许多应用的关键要求。”

由于具有 ±100 V/ns 的共模瞬态抗扰度，输入到输出的传播时间小于 75 ns，开关可靠。以下特性和保护增强了 STGAP2SIC 的稳健性：专门的欠压锁定 (UVLO)、看门狗、避免感应开启的方法和热关断保护。

“在驱动半桥配置时，可能会由于硬开关导通瞬变而发生感应导通现象，并且“受害者”开关的栅极上会出现电压尖峰，这是由栅极路径上的 C _GD电流引起的阻抗，”塞尔瓦说。“如果这个正 V _GS尖峰超过开关 V _GS阈值，半桥上可能会发生直通。这是一种危险的情况，需要避免。”

Selva 补充说，为了避免感应开启，STGAP2SIC 提供了两种替代配置：使用外部电阻器单独优化开启和关闭时序的单独输出，或具有有源米勒钳位功能的单个输出。在单输出配置中，米勒钳位可防止电源开关在高频硬开关条件下过度振荡（图 1）。

“分离输出选项允许优化在导通和关断期间驱动电源开关的不同转换，通过调整 dV/dt 避免感应导通，而米勒钳位选项可防止通过控制功率级开关期间的米勒电流，在快速换向期间的栅极尖峰，”塞尔瓦说。“钳位引脚在关断期间监视外部开关的栅极。当外部晶体管处于“关断”状态时，驱动器工作以避免半桥的另一个开关导通时可能出现的感应导通现象。除了米勒钳位解决方案，STGAP2SIC 也可以使用负栅极驱动。将开关栅极驱动至负电压可增加尖峰电平和 V _GS之间的安全裕度 临界点。”

据 ST 称，STGAP2SIC 旨在确保 SiC 的安全运行，提供专用的 UVLO 保护，其值高于 IGBT 功率晶体管版本的值。与其他基于硅的 MOSFET 曲线相比，SiC 曲线在 V/I 平面上分布相当广泛，因此 UVLO 值更大。因此，如果我们打开具有低 V _GS的开关，损失将是巨大的，除了降低效率之外，还可能带来安全风险。

看门狗功能的实现可确保驱动器的低压和高压部分之间的通信正确建立，是第三个重要的稳健性要素。看门狗检测来自低电压的通信何时丢失，并将驱动器的输出设置为安全状态，直到通信恢复。

STGAP2SiCSN 逻辑输入支持低至 3.3 V 的 TTL 和 CMOS 逻辑，从而更容易连接到主机微控制器或 DSP。在高达 26V 的栅极驱动电压下，驱动器可以吸收和提供高达 4A 的电流。热关断可在结温高的情况下保护器件，而待机模式可降低系统功耗。

图 1：单输出和米勒钳位配置（顶部）和独立输出配置（底部）的框图（来源：STMicroelectronics）

应用

据 ST 称，先进工业和汽车系统中 SiC 的栅极驱动器更为重要。“我们现在观察到宽带隙材料和晶体管的快速增长，因为 SiC 作为更高功率应用的功率级元件得到肯定，特别是在电动汽车领域和相关的工业基础设施，如充电站，以及在具有先进服务器电源架构的电源和能源应用中，”塞尔瓦说。

图 2：30 kW 至 150 kW 和 15 至 30 kW 子单元架构的直流充电器（来源：意法半导体）

图 3：PFC Vienna 拓扑 + 谐振全桥 LLC 拓扑（来源：STMicroelectronics）

STGAP2SICSN 适用于充电基础设施——PFC 控制器（升压、图腾柱和 Vienna 拓扑）和 DC/DC 控制器（谐振全桥 LLC、双谐振全桥 LLC 和三电平全桥LLC 拓扑）（图 2 和 3）。“该驱动程序托管在 SO-8 标准车身包中，”塞尔瓦说。“同样的驱动器也可用于 SO-8W 封装，根据应用要求提供不同的封装解决方案。此驱动程序 STGAP2ICSN 及其 SO-8W 版本都用于充电基础设施。”


审核编辑：刘清