用于SiC MOSFET的柵極驅(qū)動器
STMicroelectronics (ST) 的 STGAP2SiCSN 單通道柵極驅(qū)動器旨在調(diào)節(jié)碳化硅 (SiC) MOSFET。它采用窄體 SO-8 封裝，可節(jié)省空間并具有精確的PWM 控制。據(jù) ST 稱，隨著 SiC 技術(shù)被更廣泛地用于提高功率轉(zhuǎn)換效率，STGAP2SiCSN 簡化了節(jié)能電源系統(tǒng)、驅(qū)動器和控制器的設(shè)計。開關(guān)模式電源、高壓功率因數(shù)校正 (PFC)、DC/DC 轉(zhuǎn)換器、不間斷電源、太陽能、電機(jī)驅(qū)動、風(fēng)扇、工廠自動化、家用電器和感應(yīng)加熱是其中一些應(yīng)用。
碳化硅驅(qū)動器
SiC 柵極驅(qū)動器使用隔離設(shè)計構(gòu)建單個芯片，隔離確保來自微控制器的低壓命令與高壓功率級驅(qū)動分開。意法半導(dǎo)體產(chǎn)品營銷經(jīng)理卡羅琳娜·塞爾瓦（Carolina Selva）在接受 Power 采訪時表示：“由于 SiC 功率級的卓越性能和最新的車載充電器，最新的牽引逆變器架構(gòu)采用了用于 SiC 的隔離式柵極驅(qū)動器。電子新聞。“轉(zhuǎn)向 EV [電動汽車] 的工業(yè)方面，用于SiC的隔離式柵極驅(qū)動器用于 EV充電器和電源墻?！?/font>
據(jù) ST 稱，由于許多政府的推動以及許多汽車制造商相應(yīng)地將生產(chǎn)從內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)向電動汽車的決定，電動汽車市場正在快速增長和發(fā)展。“原始設(shè)備制造商、一級供應(yīng)商和功率半導(dǎo)體業(yè)務(wù)正在發(fā)生變化和發(fā)展，以跟上電動汽車的動態(tài)增長，”塞爾瓦說。“電力電子設(shè)備是車輛電氣化的關(guān)鍵部件。工藝技術(shù)、集成、系統(tǒng)架構(gòu)和封裝是電動汽車領(lǐng)域未來獲勝的四個關(guān)鍵因素。下一個電動汽車市場面臨的最大挑戰(zhàn)是準(zhǔn)備好合適的產(chǎn)品來滿足電動汽車系統(tǒng)的要求?！?/font>
柵極驅(qū)動器 IC 是該系統(tǒng)的關(guān)鍵資產(chǎn)。Selva 認(rèn)為，意法半導(dǎo)體正在與美國、歐洲和中國電動汽車市場的主要參與者合作，為電動汽車基礎(chǔ)設(shè)施提供柵極驅(qū)動器解決方案。“STGAP2SiC 針對 SiC 的使用進(jìn)行了優(yōu)化，以便在功率傳輸方面提供最佳效率，”Selva 說。“這轉(zhuǎn)化為具有正確功能的柵極驅(qū)動器，允許系統(tǒng)設(shè)計人員利用 SiC 的大部分功能，同時對功率級進(jìn)行非常穩(wěn)健的控制并確保完美驅(qū)動?！?/font>
STGAP2SiCSN
STGAP2SiCSN 在柵極驅(qū)動通道和低壓控制之間采用電流隔離，可在高壓軌上以高達(dá) 1,700 V 的電壓運(yùn)行。“電隔離集成對工業(yè)市場發(fā)展具有戰(zhàn)略意義，”塞爾瓦說。“由于在驅(qū)動器內(nèi)部集成了更多功能，電流隔離的集成方法提供了高功率密度，從而減少了 BOM 和布局尺寸，并在優(yōu)化性能精度的同時實(shí)現(xiàn)了緊湊的嵌入式單芯片解決方案，這是成為許多應(yīng)用的關(guān)鍵要求?！?/font>
由于具有 ±100 V/ns 的共模瞬態(tài)抗擾度，輸入到輸出的傳播時間小于 75 ns，開關(guān)可靠。以下特性和保護(hù)增強(qiáng)了 STGAP2SIC 的穩(wěn)健性：專門的欠壓鎖定 (UVLO)、看門狗、避免感應(yīng)開啟的方法和熱關(guān)斷保護(hù)。
“在驅(qū)動半橋配置時，可能會由于硬開關(guān)導(dǎo)通瞬變而發(fā)生感應(yīng)導(dǎo)通現(xiàn)象，并且“受害者”開關(guān)的柵極上會出現(xiàn)電壓尖峰，這是由柵極路徑上的 C GD電流引起的阻抗，”塞爾瓦說。“如果這個正 V GS尖峰超過開關(guān) V GS閾值，半橋上可能會發(fā)生直通。這是一種危險的情況，需要避免?！?/font>
Selva 補(bǔ)充說，為了避免感應(yīng)開啟，STGAP2SIC 提供了兩種替代配置：使用外部電阻器單獨(dú)優(yōu)化開啟和關(guān)閉時序的單獨(dú)輸出，或具有有源米勒鉗位功能的單個輸出。在單輸出配置中，米勒鉗位可防止電源開關(guān)在高頻硬開關(guān)條件下過度振蕩（圖 1）。
“分離輸出選項允許優(yōu)化在導(dǎo)通和關(guān)斷期間驅(qū)動電源開關(guān)的不同轉(zhuǎn)換，通過調(diào)整 dV/dt 避免感應(yīng)導(dǎo)通，而米勒鉗位選項可防止通過控制功率級開關(guān)期間的米勒電流，在快速換向期間的柵極尖峰，”塞爾瓦說。“鉗位引腳在關(guān)斷期間監(jiān)視外部開關(guān)的柵極。當(dāng)外部晶體管處于“關(guān)斷”狀態(tài)時，驅(qū)動器工作以避免半橋的另一個開關(guān)導(dǎo)通時可能出現(xiàn)的感應(yīng)導(dǎo)通現(xiàn)象。除了米勒鉗位解決方案，STGAP2SIC 也可以使用負(fù)柵極驅(qū)動。將開關(guān)柵極驅(qū)動至負(fù)電壓可增加尖峰電平和 V GS之間的安全裕度 臨界點(diǎn)?！?/font>
據(jù) ST 稱，STGAP2SIC 旨在確保 SiC 的安全運(yùn)行，提供專用的 UVLO 保護(hù)，其值高于 IGBT 功率晶體管版本的值。與其他基于硅的 MOSFET 曲線相比，SiC 曲線在 V/I 平面上分布相當(dāng)廣泛，因此 UVLO 值更大。因此，如果我們打開具有低 V GS的開關(guān)，損失將是巨大的，除了降低效率之外，還可能帶來安全風(fēng)險。
看門狗功能的實(shí)現(xiàn)可確保驅(qū)動器的低壓和高壓部分之間的通信正確建立，是第三個重要的穩(wěn)健性要素。看門狗檢測來自低電壓的通信何時丟失，并將驅(qū)動器的輸出設(shè)置為安全狀態(tài)，直到通信恢復(fù)。
STGAP2SiCSN 邏輯輸入支持低至 3.3 V 的 TTL 和 CMOS 邏輯，從而更容易連接到主機(jī)微控制器或 DSP。在高達(dá) 26V 的柵極驅(qū)動電壓下，驅(qū)動器可以吸收和提供高達(dá) 4A 的電流。熱關(guān)斷可在結(jié)溫高的情況下保護(hù)器件，而待機(jī)模式可降低系統(tǒng)功耗。
圖 1：單輸出和米勒鉗位配置（頂部）和獨(dú)立輸出配置（底部）的框圖（來源：STMicroelectronics）
應(yīng)用
據(jù) ST 稱，先進(jìn)工業(yè)和汽車系統(tǒng)中 SiC 的柵極驅(qū)動器更為重要。“我們現(xiàn)在觀察到寬帶隙材料和晶體管的快速增長，因為 SiC 作為更高功率應(yīng)用的功率級元件得到肯定，特別是在電動汽車領(lǐng)域和相關(guān)的工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，如充電站，以及在具有先進(jìn)服務(wù)器電源架構(gòu)的電源和能源應(yīng)用中，”塞爾瓦說。
圖 2：30 kW 至 150 kW 和 15 至 30 kW 子單元架構(gòu)的直流充電器（來源：意法半導(dǎo)體）
圖 3：PFC Vienna 拓?fù)?+ 諧振全橋 LLC 拓?fù)洌▉碓矗篠TMicroelectronics）
STGAP2SICSN 適用于充電基礎(chǔ)設(shè)施——PFC 控制器（升壓、圖騰柱和 Vienna 拓?fù)洌┖?DC/DC 控制器（諧振全橋 LLC、雙諧振全橋 LLC 和三電平全橋LLC 拓?fù)洌▓D 2 和 3）。“該驅(qū)動程序托管在 SO-8 標(biāo)準(zhǔn)車身包中，”塞爾瓦說。“同樣的驅(qū)動器也可用于 SO-8W 封裝，根據(jù)應(yīng)用要求提供不同的封裝解決方案。此驅(qū)動程序 STGAP2ICSN 及其 SO-8W 版本都用于充電基礎(chǔ)設(shè)施?！?br />
審核編輯：劉清
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