如何以高精度、高效率和高保护的方式驱动 SiC MOSFET 和 IGBT

作者：Kenton Williston

投稿人：DigiKey 北美编辑

在电动汽车 (EV)、可再生能源以及工业自动化需求的推动下，电源系统持续迭代升级。在此背景下，设计人员要在效率、性能与安全性之间取得平衡，面临着前所未有的挑战。虽然绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 和碳化硅 (SiC) 金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 等高压元器件的集成是实现这种平衡的关键一步，但这些器件需要能够提供精确控制、快速切换和强大保护机制的栅极驱动器。

本文探讨了与驱动现代电源系统相关的挑战，重点介绍了半桥拓扑。然后，介绍了 [Infineon Technologies] 的栅极驱动器和评估板，这些产品可以帮助克服这些挑战。

现代半桥拓扑的设计挑战

随着行业朝着更高的开关频率、更高的电压和采用宽带隙 (WBG) 半导体的方向发展，电源系统面临着日益严峻的挑战。虽然这些进步提高了效率，但也对栅极驱动器提出了更高的要求。

为说明不断升级的技术需求，我们以半桥拓扑为例，它在诸多应用里已成为标准配置。半桥电路在电动汽车 DC-DC 车载充电器和电机驱动系统中扮演着举足轻重的角色。该电路支持双向功率流，这在正常电机运转（正向功率流）与再生制动（反向功率流）时都不可或缺。在新型电动汽车平台向 800V 架构转变的进程中，对可靠隔离和保护机制的需求愈发迫切，同时还需维持开关精度。

在可再生能源系统中，半桥设计是实现电网集成所必需的三相逆变器的基础。SiC MOSFET 和 IGBT 采用的较高开关频率提升了能源转换效率，却也加剧了高压侧与低压侧开关的共模电压问题，进而引发严重的电磁干扰 (EMI)，这不仅影响系统整体性能，还可能导致违反相关监管标准。

工业电机驱动器面临更多挑战，其中，维持分相电容器布置间直流总线电压的平衡便是一大难题。此外，当前设计朝着更紧凑、更高功率密度的方向发展，这无疑加剧了热管理的复杂性，同时也使电气噪声问题愈发突出。

在所有这些应用中，设计人员急需适配的栅极驱动器解决方案，不仅要具备精准控制、快速开关的能力，还需拥有全面的保护功能，同时，还能在高压与低压电路间构建起可靠的隔离屏障。

专为 IGBT 和 MOSFET 打造的双通道栅极驱动器

Infineon Technologies 的 [EiceDRIVER 2ED314xMC12L]系列（图 1）采用专门用于控制 IGBT 和 MOSFET 的双通道设计，来应对这些挑战。该系列所有产品都设有带死区时间控制 (DTC) 的独立工作通道，这使得 2ED314xMC12L 器件既能充当双通道低压侧驱动器，也能作为双通道高压侧驱动器，或是半桥栅极驱动器。

图 1：2ED314xMC12L 系列设有带 DTC 的独立工作通道，允许器件作为双通道低压侧驱动器、双通道高压侧驱动器或半桥栅极驱动器运行。（图片来源：Infineon Technologies）

在半桥配置中，双通道架构使得单个栅极驱动器 IC 能够高效地控制高压侧和低压侧开关。这种高度集成的设计极大地简化了印刷电路板 (PCB) 的布局，减少了元件的使用数量，同时支持通道间的匹配时序特性，这对于维持适当的 DTC 和防止击穿情况至关重要。

2ED314xMC12L 系列的一个主要优势是通过无芯变压器技术实现电流隔离。这种方法可以实现快速信号传输，并且具有极强的抗电磁干扰能力，这在电动汽车等电噪声环境中至关重要。

隔离能力通过 UL 1577 标准认证，可承受 6.84 kVRMS 电压持续 1 秒，以及 5.7 kVRMS 电压持续 1 分钟。在可再生能源系统等应用中，这种强大的隔离水平对于防范高压瞬变极为关键，在这类应用中，并网逆变器必须能够耐受公用事业级电压浪涌。

高输出、高精度开关

2ED314xMC12L 系列在多项相关基准测试中表现出色，首当其冲的是其具备 6.5 A 的峰值输出电流。这一高输出特性对 SiC MOSFET 尤为有利，因为 SiC MOSFET 需要强栅极驱动信号才能实现高效开关。

另一个关键特性是 39 ns 的传播延迟，这使得精确的时序控制成为可能。对于工业自动化等应用来说，这是一个重要的考量因素，因为在这些应用中，电机速度和扭矩控制依赖于高精度开关。

极为严格的部件间传播延迟偏移，最大仅为 8 ns，这意味着在使用多个驱动器 IC 时，比如在三相电机驱动器中，各部件之间的时序差异能降至最低。更为严苛的通道间传播延迟偏移（最大为 5 ns），则有助于避免每个半桥的开关之间出现击穿现象。

最后，额定超过 200 kV/µs 的共模瞬变抗扰度 (CMTI) 有助于防止因电压瞬变而导致的误触发。以可再生能源应用为例，如此高的瞬态抗扰度可确保设备在电网波动以及功率流突然变化时仍能稳定运行。

确保稳定运行的可靠性

2ED314xMC12L 系列具有多种保护功能，可确保在要求苛刻的电源应用中可靠运行。每项功能均专为解决高压开关环境中可能出现的特定可靠性问题而设计。

主动关断和短路箝位属于必要的保护手段。在两个电源开关堆叠于直流总线电压之间的半桥配置中，这些机制能够防范击穿电流。如果两个开关同时导通，由此引发的短路状况极有可能损坏元器件，甚至导致系统停机。

另一个值得关注的特性是欠压锁定 (UVLO) 保护功能，该功能会创建一个磁滞“死区”，即便电压出现微小波动，系统状态也能维持稳定，避免在阈值附近产生振荡。例如，在太阳能发电系统中，UVLO 可在部分多云的天气条件下提供稳定运行，避免不必要的中断。一些型号提供 8.5 V 至 9.3 V 之间的 UVLO，而其他版本则提供 12.5 V 至 13.6 V 之间的保护。

该系列产品还提供带有使能引脚的型号，这为紧急关断场景增添了一层额外的控制手段。在这些型号中，每个数字输入引脚都包含一个下拉电阻，确保当引脚出现脱焊或断开的情况时，引脚会默认进入安全状态，通道随即被禁用。这一功能在要求高可靠性的应用中尤其重要，因为即使发生意外故障也必须维持系统完整性。

对于优先考虑较低电流消耗和简化控制的应用，可提供具有禁用引脚的型号。这些型号能让栅极驱动器在默认状态下保持激活，以此降低待机功耗，同时简化系统设计。

[2ED3140MC12L] 是可用选项的一个示例，它提供 8.5 V 到 9.3 V 之间的磁滞 UVLO 和一个禁用引脚。相比之下，[2ED3146MC12L] 提供 12.5 V 至 13.6 V 之间的 UVLO 和一个使能引脚。

高效可靠的封装

该系列产品采用 PG-DSO-14-71 封装（图 2）。这种表面贴装封装尺寸为 10.3 x 7.5 mm，对于高功率双通道驱动器来说，尺寸非常紧凑。在电动汽车应用中，该封装可节省宝贵的动力总成空间。

图 2：2ED314xMC12L 系列采用紧凑型 PG-DSO-14-71 封装。（图片来源：Infineon Technologies）

尽管尺寸小，但所有型号都提供了足够的间距以确保安全运行：8 mm 输入到输出和 3.3 mm 通道到通道爬电距离和间隙距离。这些尺寸既符合隔离方面的要求，又能维持在空间有限的设计中所必需的紧凑外形规格。

使用评估板快速入门

为了简化测试和开发，Infineon Technologies 提供了 [EVAL-2ED3146MC12L] 评估板（图 3）。这款半桥板的设计初衷，是为了展示 2ED3146MC12L 隔离式栅极驱动器 IC 的各项功能。

图 3：EVAL-2ED3146MC12L 评估板提供半桥设置来评估 2ED3146MC12L。（图片来源：Infineon Technologies）

除了栅极驱动器外，这款评估板还包括两个 Infineon Technologies [IMZA120R020M1HXKSA1] CoolSiC 沟槽型 MOSFET，以及一个 Infineon Technologies [2EP130R]变压器驱动器 IC，用于板载电源。这些元器件专门为评估而设置，同时也是实际设计中切实可行的选择。

SiC MOSFET 的漏源电压额定值为 1,200 V，与 2ED314xMC12L 驱动 600 V 至 2,300 V 功率器件的能力完全契合。2ED314xMC12L 的 35 V 绝对最大输出电源电压可以轻松满足这些 MOSFET 的 18 V 栅极驱动电压要求。MOSFET 在 25°C 时的导通电阻低至 19 mΩ，能够最大限度地降低导通损耗。

这些 MOSFET 在 +25°C 时的功率耗散能力为 375 W，工作温度范围为 -55°C 到 +175°C，完全满足高性能电力电子应用的要求。栅极驱动器具备 39 ns 的快速传播延迟，以及 >200 kV/μs 的 CMTI，这使得其能够实现高效的高频开关操作，并且在 MOSFET 的整个工作温度范围内，都能维持可靠稳定的运行。

2EP130R 变压器驱动器拥有 50 kHz 至 695 kHz 的宽开关频率范围，与 2ED3146MC12L 的快速传播延迟协同工作，成为了栅极驱动器的有力补充。该变压器驱动器具备高精度的占空比调整能力（可在 10% 至 50% 之间调节），与栅极驱动器精确的时序特性相得益彰，这一组合对于在半桥配置中维持最佳的死区时间而言至关重要。

总结

Infineon Technologies 的 EiceDRIVER 2ED314xMC12L 系列产品，在效率、性能以及安全功能方面实现了良好的平衡，充分满足了电动汽车、可再生能源以及工业自动化等领域中高压应用的需求。该系列产品采用紧凑的 PG-DSO-14-71 封装形式，能够适应空间有限的设计方案，而 EVAL-2ED3146MC12L-SiC 评估板则有助于实现快速测试。

审核编辑 黄宇