如何通过单颗芯片实现双通道控制?主流混碳栅极驱动芯片解析

导语：在过去的一个多月，我们从最基础的器件入手，深入了解再探讨SiC MOSFET与Si IGBT的单个特性和并联后的表现，并借助一些案例说明了如何利用这些器件本身的特性来优化系统性能？以上是第一步。在第二步中，我们我们进入逆变器层级，探讨如何在不同负载条件下，充分利用SiC MOSFET和Si IGBT的电流能力，以达到效率与性能的最佳平衡？

通过前两步的讨论，我们知道了：通过精准控制混合开关中Si和SiC器件的开通与关断时序，可以显著提升其整体性能，这一方法因其高度的灵活性而成为业界研究与应用的方向之一。然而，若缺乏高度集成且可靠的新型驱动产品作为支撑，传统方案将不得不增加一倍的驱动芯片、外围驱动电路及安全逻辑电路，从而削弱产品的成本优势。

值得庆幸的是，主流芯片厂商如ST和NXP已着手研发具备栅极开通关断时序管理功能的驱动芯片。相较于传统方案，这类新型驱动电路的成本仅略有提升，而结合混合开关减少的SiC器件用量，产品成本得以有效控制。今天我们就来聊聊这一款来自ST的带有栅极时序控制功能的解决方案。

目录1. 前言2. 几种栅极驱动方案，究竟哪个更好？3. ST的解决方案揭秘4. 时序管理功能解读（知识星球发布）5. 其他亮点（知识星球发布）6. ST方案支持的控制策略有哪些？（知识星球发布）7. 实测效果如何？（知识星球发布）6. 总结

01 前言

在电力电子应用领域，SiC功率器件以其更高的功率密度、更高的效率以及对系统散热要求的降低等显著优势而备受瞩目。在逆变器应用中，混合开关凭借其介于于Si与SiC器件之间的特性，在成本与性能之间实现了良好的平衡。|SysPro备注：这部分之前聊过，这里不再展开，可以回顾前期的文章：SiC+Si混合驱动技术全解析：器件特征对比、拓扑分析、WLTP能耗分析、Si/SiC选择原则、SiC+Si融合技术

图片来源：ST

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02 几种栅极驱动方案，究竟哪个更好？ 使用常规驱动进行同步控制时（即一个驱动芯片控制一个桥臂），混合开关器件的灵活度受限，无法充分发挥混合开关的优势。这是因为Si与SiC器件在开关过程中的过流和换流特性对功率器件的电流能力配比提出了严格要求。

| SysPro备注，可参考「SysPro电力电子技术」星球中对电流分配特性的介绍：2. Si/SiC器件特征详解 | 2.4混合开关电流分配特性

虽然可以考虑采用具备驱动强度控制的驱动芯片（仍为一个驱动芯片控制一个桥臂），通过在不同负载工况下调整驱动强度配置来控制Si和SiC器件的相对开关速度，从而优化过流现象。但此方案在小负载工况下难以充分利用SiC器件开关速度快、开通损耗小的特点，无法完全发挥SiC器件的优势。

| SysPro备注，通过调整驱动强度来优化SiC器件的过流方案可参考这篇文章：2. Si/SiC器件特征详解 | 2.6 同步开关中的驱动强度控制策略中篇：过流优化思路

为了追求更卓越的性能和灵活性，行业内部分厂家曾尝试过每个桥臂使用两个驱动芯片分别驱动Si和SiC器件的方案。此方案实现了Si和SiC器件在控制上的解耦，因此几乎可以应用所有混合开关控制策略。然而，其劣势也显而易见：若量产，增加的一套驱动电路、外围电路及安全逻辑电路将大幅提升产品成本，从而抵消混合开关带来的成本优势。

另一种方案是采用单个驱动芯片驱动一个桥臂，但在驱动与Si、SiC栅极之间引入不同的延时电路，以控制混合开关中Si和SiC器件开通关断的相对时序。此方案驱动电路的综合成本较低，同时能够采用较为灵活的时序控制策略，使混合开关在高低负载下均表现出色。此外，通过开关时序控制还可以实现最优损耗控制、节温控制等多种优化策略，全面挖掘混合开关的潜力。这一方向已成为混合开关控制领域的主流。| SysPro备注：在「SysPro电力电子技术」星球中“2.10 栅极控制策略在逆变器中的应用” 系列文章中作详细介绍，目前已完成：

2.10 栅极控制策略在逆变器中的应用：基于负载电流大小的混合开关时序控制

2.10 栅极控制策略在逆变器中的应用：高负载下时序控制和驱动强度控制的对比

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ST的解决方案揭秘

目前，主流大厂如NXP和ST均在积极开发支持混合开关Si、SiC时序控制的单芯片驱动产品。一旦这些产品量产，其集成度、易用性及成本上的优势势必将使其成为混合开关领域的主流选择。

本文以ST栅极驱动芯片为例，介绍ST的最新开发成果。下图为该驱动芯片的功能框图。其特殊之处在于：在高压侧，它提供了两个通道的栅极驱动输出，来控制对栅极的充放电。比如OUT1B和OUT2B均用来控制IGBT的栅极，其中OUT1B控制栅极的开通，OUT2A控制栅极的关断；OUT1A和OUT2A用来控制MOSFET的栅极，其中OUT1A控制栅极的开通，OUT2A控制栅极的关断。

图片来源：ST

此外，在该驱动的低压侧，有一组开关时序控制的引脚，用作控制驱动输出通道A和B之间的开通顺序：。.. ；有一组延迟时序选择引脚，用于控制驱动输出A和B的开通或者关断延时。..；该驱动芯片的两个输出通道有着独立的驱动电平，方便对Si和SiC器件设计独立的驱动电压（知识星球发布）。

| SysPro补充：在「SysPro电力电子技术」星球中2.7 章节介绍具体混合开关驱动电压策略

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时序管理功能

（知识星球发布）

ST栅极驱动芯片的时序管理只需要一组PWM输入，结合XXX和XXX引脚的配置，即可实时选择SiC通道和IGBT通道独立的开通和关断延迟时间。下面我们具体解读下，看看不同通道是如何通过逻辑电平完成开关切换的？。..

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其他亮点

该驱动芯片还配置了一个米勒钳位输出引脚。..

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ST方案支持的控制策略有哪些？

（知识星球发布）

ST的这种时序控制方案，可以支持灵活的混合开关控制策略。比如应用效率控制策略，或者结温控制策略，来控制不同的混合开关开通关断延时，灵活度较高。如下图所示，这些策略会在效率或者节温上有不同倾向，来实现较高的效率或者较高的电流利用率。..

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实测效果如何？

（知识星球发布）

下面我们通过几张图，来看看ST这套混合开关驱动方案的效率提升效果。..

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结语

这篇主要是想通过介绍了ST开发的混合开关驱动芯片产品，说明市场上已有具体的解决方案，在只有一个通道的栅极PWM控制信号输入的前提下，可以实现了两个通道的输出，来分别控制Si和SiC器件，因而可以支持灵活的控制策略，并能在实际应用中显著提升效率。后续本星球也会介绍其他厂家的混合开关驱动方案，相信随着这些产品的量产，混合开关技术的应用前景将更加广阔。