作者：Kenton Williston

投稿人：DigiKey 北美編輯

在電動(dòng)汽車 (EV)、可再生能源以及工業(yè)自動(dòng)化需求的推動(dòng)下，電源系統(tǒng)持續(xù)迭代升級(jí)。在此背景下，設(shè)計(jì)人員要在效率、性能與安全性之間取得平衡，面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。雖然絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 和碳化硅 (SiC) 金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 等高壓元器件的集成是實(shí)現(xiàn)這種平衡的關(guān)鍵一步，但這些器件需要能夠提供精確控制、快速切換和強(qiáng)大保護(hù)機(jī)制的柵極驅(qū)動(dòng)器。

本文探討了與驅(qū)動(dòng)現(xiàn)代電源系統(tǒng)相關(guān)的挑戰(zhàn)，重點(diǎn)介紹了半橋拓?fù)洹Ｈ缓?，介紹了 [Infineon Technologies] 的柵極驅(qū)動(dòng)器和評(píng)估板，這些產(chǎn)品可以幫助克服這些挑戰(zhàn)。

現(xiàn)代半橋拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

隨著行業(yè)朝著更高的開關(guān)頻率、更高的電壓和采用寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體的方向發(fā)展，電源系統(tǒng)面臨著日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。雖然這些進(jìn)步提高了效率，但也對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)器提出了更高的要求。

為說(shuō)明不斷升級(jí)的技術(shù)需求，我們以半橋拓?fù)錇槔?，它在諸多應(yīng)用里已成為標(biāo)準(zhǔn)配置。半橋電路在電動(dòng)汽車 DC-DC 車載充電器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中扮演著舉足輕重的角色。該電路支持雙向功率流，這在正常電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)（正向功率流）與再生制動(dòng)（反向功率流）時(shí)都不可或缺。在新型電動(dòng)汽車平臺(tái)向 800V 架構(gòu)轉(zhuǎn)變的進(jìn)程中，對(duì)可靠隔離和保護(hù)機(jī)制的需求愈發(fā)迫切，同時(shí)還需維持開關(guān)精度。

在可再生能源系統(tǒng)中，半橋設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)集成所必需的三相逆變器的基礎(chǔ)。SiC MOSFET 和 IGBT 采用的較高開關(guān)頻率提升了能源轉(zhuǎn)換效率，卻也加劇了高壓側(cè)與低壓側(cè)開關(guān)的共模電壓?jiǎn)栴}，進(jìn)而引發(fā)嚴(yán)重的電磁干擾 (EMI)，這不僅影響系統(tǒng)整體性能，還可能導(dǎo)致違反相關(guān)監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。

工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器面臨更多挑戰(zhàn)，其中，維持分相電容器布置間直流總線電壓的平衡便是一大難題。此外，當(dāng)前設(shè)計(jì)朝著更緊湊、更高功率密度的方向發(fā)展，這無(wú)疑加劇了熱管理的復(fù)雜性，同時(shí)也使電氣噪聲問(wèn)題愈發(fā)突出。

在所有這些應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員急需適配的柵極驅(qū)動(dòng)器解決方案，不僅要具備精準(zhǔn)控制、快速開關(guān)的能力，還需擁有全面的保護(hù)功能，同時(shí)，還能在高壓與低壓電路間構(gòu)建起可靠的隔離屏障。

專為 IGBT 和 MOSFET 打造的雙通道柵極驅(qū)動(dòng)器

Infineon Technologies 的 [EiceDRIVER 2ED314xMC12L]系列（圖 1）采用專門用于控制 IGBT 和 MOSFET 的雙通道設(shè)計(jì)，來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。該系列所有產(chǎn)品都設(shè)有帶死區(qū)時(shí)間控制 (DTC) 的獨(dú)立工作通道，這使得 2ED314xMC12L 器件既能充當(dāng)雙通道低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器，也能作為雙通道高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器，或是半橋柵極驅(qū)動(dòng)器。

圖 1：2ED314xMC12L 系列設(shè)有帶 DTC 的獨(dú)立工作通道，允許器件作為雙通道低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器、雙通道高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器或半橋柵極驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行。（圖片來(lái)源：Infineon Technologies）

在半橋配置中，雙通道架構(gòu)使得單個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 能夠高效地控制高壓側(cè)和低壓側(cè)開關(guān)。這種高度集成的設(shè)計(jì)極大地簡(jiǎn)化了印刷電路板 (PCB) 的布局，減少了元件的使用數(shù)量，同時(shí)支持通道間的匹配時(shí)序特性，這對(duì)于維持適當(dāng)?shù)?DTC 和防止擊穿情況至關(guān)重要。

2ED314xMC12L 系列的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是通過(guò)無(wú)芯變壓器技術(shù)實(shí)現(xiàn)電流隔離。這種方法可以實(shí)現(xiàn)快速信號(hào)傳輸，并且具有極強(qiáng)的抗電磁干擾能力，這在電動(dòng)汽車等電噪聲環(huán)境中至關(guān)重要。

隔離能力通過(guò) UL 1577 標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，可承受 6.84 kVRMS 電壓持續(xù) 1 秒，以及 5.7 kVRMS 電壓持續(xù) 1 分鐘。在可再生能源系統(tǒng)等應(yīng)用中，這種強(qiáng)大的隔離水平對(duì)于防范高壓瞬變極為關(guān)鍵，在這類應(yīng)用中，并網(wǎng)逆變器必須能夠耐受公用事業(yè)級(jí)電壓浪涌。

高輸出、高精度開關(guān)

2ED314xMC12L 系列在多項(xiàng)相關(guān)基準(zhǔn)測(cè)試中表現(xiàn)出色，首當(dāng)其沖的是其具備 6.5 A 的峰值輸出電流。這一高輸出特性對(duì) SiC MOSFET 尤為有利，因?yàn)?SiC MOSFET 需要強(qiáng)柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)才能實(shí)現(xiàn)高效開關(guān)。

另一個(gè)關(guān)鍵特性是 39 ns 的傳播延遲，這使得精確的時(shí)序控制成為可能。對(duì)于工業(yè)自動(dòng)化等應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)重要的考量因素，因?yàn)樵谶@些應(yīng)用中，電機(jī)速度和扭矩控制依賴于高精度開關(guān)。

極為嚴(yán)格的部件間傳播延遲偏移，最大僅為 8 ns，這意味著在使用多個(gè)驅(qū)動(dòng)器 IC 時(shí)，比如在三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中，各部件之間的時(shí)序差異能降至最低。更為嚴(yán)苛的通道間傳播延遲偏移（最大為 5 ns），則有助于避免每個(gè)半橋的開關(guān)之間出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。

最后，額定超過(guò) 200 kV/μs 的共模瞬變抗擾度 (CMTI) 有助于防止因電壓瞬變而導(dǎo)致的誤觸發(fā)。以可再生能源應(yīng)用為例，如此高的瞬態(tài)抗擾度可確保設(shè)備在電網(wǎng)波動(dòng)以及功率流突然變化時(shí)仍能穩(wěn)定運(yùn)行。

確保穩(wěn)定運(yùn)行的可靠性

2ED314xMC12L 系列具有多種保護(hù)功能，可確保在要求苛刻的電源應(yīng)用中可靠運(yùn)行。每項(xiàng)功能均專為解決高壓開關(guān)環(huán)境中可能出現(xiàn)的特定可靠性問(wèn)題而設(shè)計(jì)。

主動(dòng)關(guān)斷和短路箝位屬于必要的保護(hù)手段。在兩個(gè)電源開關(guān)堆疊于直流總線電壓之間的半橋配置中，這些機(jī)制能夠防范擊穿電流。如果兩個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，由此引發(fā)的短路狀況極有可能損壞元器件，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)。

另一個(gè)值得關(guān)注的特性是欠壓鎖定 (UVLO) 保護(hù)功能，該功能會(huì)創(chuàng)建一個(gè)磁滯“死區(qū)”，即便電壓出現(xiàn)微小波動(dòng)，系統(tǒng)狀態(tài)也能維持穩(wěn)定，避免在閾值附近產(chǎn)生振蕩。例如，在太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中，UVLO 可在部分多云的天氣條件下提供穩(wěn)定運(yùn)行，避免不必要的中斷。一些型號(hào)提供 8.5 V 至 9.3 V 之間的 UVLO，而其他版本則提供 12.5 V 至 13.6 V 之間的保護(hù)。

該系列產(chǎn)品還提供帶有使能引腳的型號(hào)，這為緊急關(guān)斷場(chǎng)景增添了一層額外的控制手段。在這些型號(hào)中，每個(gè)數(shù)字輸入引腳都包含一個(gè)下拉電阻，確保當(dāng)引腳出現(xiàn)脫焊或斷開的情況時(shí)，引腳會(huì)默認(rèn)進(jìn)入安全狀態(tài)，通道隨即被禁用。這一功能在要求高可靠性的應(yīng)用中尤其重要，因?yàn)榧词拱l(fā)生意外故障也必須維持系統(tǒng)完整性。

對(duì)于優(yōu)先考慮較低電流消耗和簡(jiǎn)化控制的應(yīng)用，可提供具有禁用引腳的型號(hào)。這些型號(hào)能讓柵極驅(qū)動(dòng)器在默認(rèn)狀態(tài)下保持激活，以此降低待機(jī)功耗，同時(shí)簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

[2ED3140MC12L] 是可用選項(xiàng)的一個(gè)示例，它提供 8.5 V 到 9.3 V 之間的磁滯 UVLO 和一個(gè)禁用引腳。相比之下，[2ED3146MC12L] 提供 12.5 V 至 13.6 V 之間的 UVLO 和一個(gè)使能引腳。

高效可靠的封裝

該系列產(chǎn)品采用 PG-DSO-14-71 封裝（圖 2）。這種表面貼裝封裝尺寸為 10.3 x 7.5 mm，對(duì)于高功率雙通道驅(qū)動(dòng)器來(lái)說(shuō)，尺寸非常緊湊。在電動(dòng)汽車應(yīng)用中，該封裝可節(jié)省寶貴的動(dòng)力總成空間。

圖 2：2ED314xMC12L 系列采用緊湊型 PG-DSO-14-71 封裝。（圖片來(lái)源：Infineon Technologies）

盡管尺寸小，但所有型號(hào)都提供了足夠的間距以確保安全運(yùn)行：8 mm 輸入到輸出和 3.3 mm 通道到通道爬電距離和間隙距離。這些尺寸既符合隔離方面的要求，又能維持在空間有限的設(shè)計(jì)中所必需的緊湊外形規(guī)格。

使用評(píng)估板快速入門

為了簡(jiǎn)化測(cè)試和開發(fā)，Infineon Technologies 提供了 [EVAL-2ED3146MC12L] 評(píng)估板（圖 3）。這款半橋板的設(shè)計(jì)初衷，是為了展示 2ED3146MC12L 隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 的各項(xiàng)功能。

圖 3：EVAL-2ED3146MC12L 評(píng)估板提供半橋設(shè)置來(lái)評(píng)估 2ED3146MC12L。（圖片來(lái)源：Infineon Technologies）

除了柵極驅(qū)動(dòng)器外，這款評(píng)估板還包括兩個(gè) Infineon Technologies [IMZA120R020M1HXKSA1] CoolSiC 溝槽型 MOSFET，以及一個(gè) Infineon Technologies [2EP130R]變壓器驅(qū)動(dòng)器 IC，用于板載電源。這些元器件專門為評(píng)估而設(shè)置，同時(shí)也是實(shí)際設(shè)計(jì)中切實(shí)可行的選擇。

SiC MOSFET 的漏源電壓額定值為 1,200 V，與 2ED314xMC12L 驅(qū)動(dòng) 600 V 至 2,300 V 功率器件的能力完全契合。2ED314xMC12L 的 35 V 絕對(duì)最大輸出電源電壓可以輕松滿足這些 MOSFET 的 18 V 柵極驅(qū)動(dòng)電壓要求。MOSFET 在 25°C 時(shí)的導(dǎo)通電阻低至 19 mΩ，能夠最大限度地降低導(dǎo)通損耗。

這些 MOSFET 在 +25°C 時(shí)的功率耗散能力為 375 W，工作溫度范圍為 -55°C 到 +175°C，完全滿足高性能電力電子應(yīng)用的要求。柵極驅(qū)動(dòng)器具備 39 ns 的快速傳播延遲，以及 >200 kV/μs 的 CMTI，這使得其能夠?qū)崿F(xiàn)高效的高頻開關(guān)操作，并且在 MOSFET 的整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)，都能維持可靠穩(wěn)定的運(yùn)行。

2EP130R 變壓器驅(qū)動(dòng)器擁有 50 kHz 至 695 kHz 的寬開關(guān)頻率范圍，與 2ED3146MC12L 的快速傳播延遲協(xié)同工作，成為了柵極驅(qū)動(dòng)器的有力補(bǔ)充。該變壓器驅(qū)動(dòng)器具備高精度的占空比調(diào)整能力（可在 10% 至 50% 之間調(diào)節(jié)），與柵極驅(qū)動(dòng)器精確的時(shí)序特性相得益彰，這一組合對(duì)于在半橋配置中維持最佳的死區(qū)時(shí)間而言至關(guān)重要。

總結(jié)

Infineon Technologies 的 EiceDRIVER 2ED314xMC12L 系列產(chǎn)品，在效率、性能以及安全功能方面實(shí)現(xiàn)了良好的平衡，充分滿足了電動(dòng)汽車、可再生能源以及工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域中高壓應(yīng)用的需求。該系列產(chǎn)品采用緊湊的 PG-DSO-14-71 封裝形式，能夠適應(yīng)空間有限的設(shè)計(jì)方案，而 EVAL-2ED3146MC12L-SiC 評(píng)估板則有助于實(shí)現(xiàn)快速測(cè)試。

審核編輯 黃宇