Scale-iDriver在汽车极门极驱动方面的应用

在IEEE PEAC 2018国际会议期间PI大功率技术总监魏炜先生作了题为《SCALE-iDriver - Automotive Gate Driver》的演讲，介绍了Scale-iDriver在汽车极门极驱动方面的应用 。本文为魏炜先生演讲全文。

电动汽车市场增长势头迅猛，预计将从2017年的110万辆增至2025年的1100万辆，与汽车相关的大功率开关器件的需求量也将随之猛增。2025年之后，这一势头还将继续加速。

电动汽车(EV)生态系统由两个要素构成：电动汽车和充电站。电动汽车具有多个不同的开关级，包括电池管理系统、牵引逆变器、车载充电器、DC-DC变换器以及混合动力汽车(HEV)中的启停控制系统。在国内应用中，从230VAC（单相）电源为电动汽车充电主要通过单相3.6kW充电器或三相充电器（输出功率可达22kW）完成。对汽车电池进行快速充电（1小时以内）需要使用高压直流充电器（最高达800V），这样才能快速传递能量。

汽车功率元件需要具备优异的稳定性，大功率充电意味着动力总成的每一级都必须具有出色的效率。新的开关技术（如碳化硅）已能降低开关元件的损耗。增强型SiC、MOSFET和IGBT驱动器（如SCALE-iDriver）可提高时钟精度并提供更大的门极电流，从而提高开关效率。新出现的更稳健的通信技术则可延长系统寿命。新型驱动器新增了诸多先进的安全特性，可在过载情况下对动力总成提供保护，从而增强系统稳定性。

Power Integrations已发布两款AEC-Q100 Grade-1汽车级SCALE-iDriver IC ——SID1132KQ和SID1182KQ，汽车工程师可充分利用业界领先的性能和可靠性，为大电流隔离型IGBT、MOSFET和SiC模块提供驱动。

单通道驱动器IC采用Power Integrations创新的FluxLink磁感电气隔离通信技术，该技术可在低压原方与高压副方之间提供双向高速通信链路。FluxLink由两个间距为0.4mm的磁感耦合导体构成，并且嵌入在同质绝缘材料中，可提供超过8000V的绝缘且符合VDE0884-10标准（未来标准为VDE0884-11）。SID1132KQ和SID1182KQ采用Power Integrations坚固可靠的紧凑型eSOP封装，可提供CTI600级的9.5mm爬电距离和电气间隙，并且是唯一的汽车级门极驱动器IC，可轻松满足汽车级5000米高海拔加强绝缘标准。

FluxLink技术已被PI多款量产的工业及消费级AC-DC变换器IC所采用，此类产品的全球出货量已超过5亿片，在实际应用中表现出极高的可靠性（故障率<1PPM）。IC封装内集成了原方隔离带和通信链路，可增强可靠性并省去光耦器等外围隔离元件，此类元件都存在散热性能不高和长期稳定性不足的固有问题。

Power Integrations已能够推出众多的创新特性，其中包括可稳定门极-发射极电压的功率和电压集成管理控制，以及可在电压缓降时保护高压电路的欠压保护(UVLO)。这些集成特性可简化SCALE-iDriver的电路设计，从而减少外围元件数。此外，所集成的高级软关断(ASSD)和退饱和等安全特性可确保在故障时安全工作。除了提供加强绝缘外，FluxLink的高速双向通信链路延迟时间还非常短。FluxLink可将器件的低压输入控制侧与副方（高压）相隔离。它还可以向驱动器的高压侧提供开关信息，向低压侧微控制器提供反馈故障信息。低压侧输入管脚(IN)和输出管脚(SO)支持5VCMOS逻辑电平。门极驱动器指令传输至副方（高压）门极驱动管脚GH和GL，传输延迟通常分别为260nS和5ns，且时间抖动支持75kHz开关频率，因此iDriver非常适合高频率电源开关应用。原方（低压）SO输出管脚在正常工作时具有高阻抗，但会在检测到故障时被驱动至GND电位。图1所示为可满足简单的电源要求且因使用SCALE-iDriver而使外围元件数达到最少的典型应用电路。

【图1 - 典型应用电路】

为确保工作可靠性，驱动器必须在电压瞬变和故障时对高压开关元件提供保护。SCALE-iDriver元件提供短路和驱动器欠压保护。SCALE-iDriver利用半导体退饱和效应(Dsat)检测系统短路，并利用高级软关断(ASSD)技术安全关断开关。器件支持同时基于二极管和电阻的检测技术，这种技术对噪声尖峰不太敏感。基于电阻的检测技术如图2所示。在关断期间，VCE管脚在内部连接至COM管脚，电阻串电容CRES被放电（图3中的红色曲线表示VCE管脚的电位）。在功率开关接收到导通指令时，集电极-发射极电压(VCE)从关断状态（与直流母线电压处于相同水平）下降到非常低的通态电压（参见图3中的蓝色曲线）。CRES电势被充电至VCE饱和电压(VCE(SAT))。CRES的充电时间取决于RVCEX、直流母线电压和CRES电容。开通期间的VCE电压会持续被观测并与内部参考电压VDES进行比较。VDES电平适合不同的开关技术。如果VCE管脚电压超过VDES（图3中的红圈），驱动器将立即关断功率半导体开关，同时控制集电极电流斜率，将VCE过冲电压限制在最大集电极-发射极电压(VCES)以下。导通指令在此期间以及tSO期期间会被忽略，SO管脚在内部被下拉至GND。响应延迟时间tRES为CRES充电时间，描述了从VCE退饱和后到VCE管脚电压上升至参考电位之间的延迟（见图3）。响应时间应足够长，以避免在半导体开通时误保护，并且可通过RVCE和CRES（图2）值进行调整。高级软关断会在检测到短路时激活。终止开关周期同时限制VCE电流斜率，以使VCE过冲电压始终低于开关的额定最大值，从而实现对开关元件的保护。

【图2 - 基于短路电阻的检测】

使用独立的上管驱动(GH)和下管驱动(GL)输出，可使不同的电阻值用于优化开通和关断电流，从而降低开通时的开关损耗，有助于提高效率。在SID1182KQ中，GH管脚可在开通期间提供7.2A的峰值电流，GL管脚可在关断期间提供8.0A的峰值电流。（如果两个电阻的值相同，则GH和GL管脚可以连接在一起。）

【图3 - 故障检测电压曲线】

SCALE-iDriver器件非常适合要求在-40°C至+125°C的更宽温度范围内具有坚固可靠性能的汽车应用。由于集成了退饱和检测和高级软关断特性，它们的安全性能更高，并且还是唯一符合高海拔要求的隔离式驱动器，可在5000米海拔提供531V加强绝缘。

SCALE-iDriver典型的动力总成应用包括驱动电机的牵引逆变器、提供输入稳压的车载充电器以及可从高压母线吸收电流并产生辅助系统所需的低压的DC-DC电压变频器。

完整的产品数据可从Power Integrations网站获取，另有参考设计和应用指南可供使用。