SiC 技術(shù)已廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)、工業(yè)、可再生能源/電網(wǎng)和其他應(yīng)用的中壓和高壓應(yīng)用中。為了充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員必須首先抵消其更快的開(kāi)關(guān)速度帶來(lái)的不良副作用。

01

由于基于 SiC 的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性不斷增加，傳統(tǒng)柵極驅(qū)動(dòng)器不足以解決這些與 SiC 相關(guān)的挑戰(zhàn)。這些傳統(tǒng)柵極驅(qū)動(dòng)器專(zhuān)為與速度慢得多的硅絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 配合使用而設(shè)計(jì)。

想要實(shí)現(xiàn)更快的上市時(shí)間、靈活性以及改進(jìn)的設(shè)計(jì)能力的基于SiC(碳化硅)的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者們，現(xiàn)在轉(zhuǎn)而使用智能的、可配置的數(shù)字門(mén)控驅(qū)動(dòng)器。這些驅(qū)動(dòng)器也使得他們能夠輕松地從鍵盤(pán)操作的舒適便捷中優(yōu)化開(kāi)關(guān)性能，而不是通過(guò)重新旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)板或在其上焊接門(mén)電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)。

02

使用 SiC 技術(shù)的設(shè)計(jì)人員在設(shè)備的高效驅(qū)動(dòng)和安全控制方面面臨著動(dòng)態(tài)的新挑戰(zhàn)。

由于 SiC 的開(kāi)關(guān)速度比硅快得多，隨之而來(lái)的更快的電壓和電流轉(zhuǎn)換帶來(lái)了挑戰(zhàn)或二次效應(yīng)，這可能會(huì)導(dǎo)致潛在的噪聲和電磁干擾 (EMI) 以及振鈴、過(guò)壓和過(guò)熱。除非開(kāi)發(fā)人員采用仔細(xì)的電路設(shè)計(jì)和濾波等緩解措施，否則這些影響可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備故障、不必要的噪聲、系統(tǒng)性能降低和其他問(wèn)題。

使用硅 IGBT 的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通常不必花費(fèi)太多時(shí)間來(lái)減輕此類(lèi)二次效應(yīng)，而可以通過(guò)使用傳統(tǒng)的模擬柵極驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。使用采用 SiC 技術(shù)的傳統(tǒng)模擬柵極驅(qū)動(dòng)器會(huì)導(dǎo)致效率低下，因?yàn)樵诠收锨闆r下需要顯著更快的響應(yīng)時(shí)間。模擬柵極驅(qū)動(dòng)器也很難修改以?xún)?yōu)化開(kāi)關(guān)操作和性能。

數(shù)字柵極驅(qū)動(dòng)器解決了這些挑戰(zhàn)，同時(shí)還提供強(qiáng)大的短路保護(hù)。使用柵極驅(qū)動(dòng)配置文件的軟件可配置方法是最新數(shù)字柵極驅(qū)動(dòng)器的關(guān)鍵要素。這種方法允許根據(jù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)(從功率水平、開(kāi)關(guān)頻率到負(fù)載條件)以數(shù)字方式配置 SiC 功率器件開(kāi)關(guān)特性，以實(shí)現(xiàn)最佳效率。

03

mSiC 和可配置增強(qiáng)交換技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

當(dāng)今數(shù)字柵極驅(qū)動(dòng)器的最大優(yōu)勢(shì)之一是可以通過(guò)可配置的開(kāi)啟和關(guān)閉開(kāi)關(guān)配置文件對(duì)其進(jìn)行增強(qiáng)。這使得設(shè)計(jì)人員能夠?qū)㈤_(kāi)關(guān)損耗降低高達(dá) 50%，并將 V DS過(guò)沖降低高達(dá) 80% 。

Microchip 的 mSiC 柵極驅(qū)動(dòng)器解決方案采用增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)技術(shù)，提供涵蓋控制開(kāi)通和關(guān)斷柵極電壓及其持續(xù)時(shí)間的各個(gè)步驟的柵極驅(qū)動(dòng)配置文件。設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)軟件輕松快速地以數(shù)字方式修改這些配置文件，以滿(mǎn)足其特定的應(yīng)用需求，而無(wú)需更改硬件。該技術(shù)還包括獨(dú)立的短路響應(yīng)和強(qiáng)大的故障監(jiān)控/檢測(cè)。

圖中顯示了這種類(lèi)型的柵極驅(qū)動(dòng)器如何工作來(lái)實(shí)現(xiàn)可配置的關(guān)斷開(kāi)關(guān)。每列的頂部圖像是智能可配置工具 (ICT) 的圖形編輯器，底部圖像是帶有關(guān)閉波形的示波器拍攝結(jié)果。左圖顯示了傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)(增強(qiáng)關(guān)閉功能被禁用)。中間的圖顯示了一種增強(qiáng)關(guān)閉設(shè)置的應(yīng)用，第三張圖顯示了第二種關(guān)閉選項(xiàng)。每種情況下的條件均為 600 VV DS和 400 AI DS，柵極電阻為 1.1 Ω。

第三張圖顯示了所需的結(jié)果：V過(guò)沖峰值降低至 712V，同時(shí)電壓和電流振鈴降低。這是通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)的：從 20V 的級(jí)上電壓開(kāi)始，繼續(xù)達(dá)到 4.5V 的可配置中間電平，并在下降到 -5V 關(guān)斷電壓之前保持 650 納秒 (ns)。關(guān)斷能量增加至 16 mJ，以減少 V過(guò)沖和振鈴 (EMI)。

除了提供可配置的配置文件外，當(dāng)今的解決方案還包含額外的故障監(jiān)控檢測(cè)級(jí)別和短路響應(yīng)。這些功能共同為設(shè)計(jì)人員提供了多層控制和保護(hù)，以確保安全、可靠的運(yùn)行。

對(duì)于許多使用 SiC MOSFET 的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，問(wèn)題不在于是否使用智能數(shù)字柵極驅(qū)動(dòng)器，而是根據(jù)自己的需求從頭開(kāi)始構(gòu)建一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，或者使用即插即用的柵極驅(qū)動(dòng)器解決方案。有多種選擇可供考慮。

04

實(shí)施內(nèi)部或即插即用柵極驅(qū)動(dòng)器解決方案的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

開(kāi)發(fā)人員可以利用軟件可配置的 ±V GS柵極電壓創(chuàng)建功能齊全的 SiC MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)解決方案。這可以使用由模塊適配器板支持的數(shù)字柵極驅(qū)動(dòng)器內(nèi)核來(lái)完成，從而促進(jìn)評(píng)估和開(kāi)發(fā)。完整的數(shù)字柵極驅(qū)動(dòng)器開(kāi)發(fā)套件也可用于實(shí)現(xiàn)此目的。

一些系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員不具備構(gòu)建解決方案的內(nèi)部設(shè)計(jì)工程技能，并且上市時(shí)間壓力需要能夠更快實(shí)施的解決方案。在這些情況下，可以使用柵極驅(qū)動(dòng)器板來(lái)使用即插即用方法，例如 Microchip 的即插即用 mSiC 柵極驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器板可通過(guò)預(yù)配置的模塊設(shè)置開(kāi)箱即用。這些板由編程套件和 ICT 軟件支持，可根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行額外優(yōu)化，無(wú)論是重型車(chē)輛和輔助電源裝置 (APU) 還是充電、存儲(chǔ)、逆變器和感應(yīng)加熱系統(tǒng)。

即插即用柵極驅(qū)動(dòng)器的另一個(gè)好處是它們已經(jīng)符合行業(yè)特定標(biāo)準(zhǔn)，并且比其他方法更容易組裝。它們簡(jiǎn)化了成本和開(kāi)發(fā)，同時(shí)消除了供應(yīng)鏈中斷的風(fēng)險(xiǎn)。

例如，LinPak開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)功率半導(dǎo)體封裝已被大量模塊制造商采用。它包括低壓 (LV) LinPak 模塊和用于隔離式 SiC MOSFET 模塊的最新高壓 (HV) 版本。

后者以 LV 變體的成功為基礎(chǔ)，具有相同的低雜散電感、并聯(lián)性能和高功率密度。這種雙(或相腳)高壓模塊具有眾多優(yōu)點(diǎn)，其中將主電源端子定位在封裝的每一側(cè)，因此柵極單元可以方便地放置在模塊的中間，并且其 DC+ 和 DC- 端子分布最大限度地減少了換向電感。

為了支持這些低壓和高壓模塊，當(dāng)今的即插即用柵極驅(qū)動(dòng)器經(jīng)過(guò)預(yù)先配置和優(yōu)化，可在鐵路牽引、電池充電、智能電網(wǎng)和 UPS 系統(tǒng)等應(yīng)用中“開(kāi)箱即用”工作。工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和重型設(shè)備。以 3.3 kV HV LinPak 模塊為例，當(dāng)今的數(shù)字柵極驅(qū)動(dòng)器采用可配置的開(kāi)關(guān)配置文件來(lái)監(jiān)控故障報(bào)告并改進(jìn)對(duì)基于 SiC MOSFET 的電源系統(tǒng)的控制。它們支持 10.2 kV 初級(jí)到次級(jí)隔離、可配置的打開(kāi)/關(guān)閉開(kāi)關(guān)配置文件以及隔離溫度和直流鏈路監(jiān)控。

在圖4所示的示例中，智能隔離柵極驅(qū)動(dòng)器符合鐵路應(yīng)用的多項(xiàng)關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)，包括確保惡劣環(huán)境下可靠性的EN50155、用于EMC保護(hù)的EN50121-3-2和EN61000-6-4、用于沖擊的EN 61373和抗振性，以及 EN 45545-2 消防安全分類(lèi)的危險(xiǎn)等級(jí) (HL) 2。

05

從電氣化到電網(wǎng)現(xiàn)代化的轉(zhuǎn)變

寬帶隙碳化硅技術(shù)已經(jīng)在萬(wàn)物電氣化方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。它將很快解決其他重大挑戰(zhàn)，例如需要進(jìn)行電網(wǎng)檢修，以實(shí)現(xiàn)必要的全向功率流，以簡(jiǎn)化收集的能量通過(guò)分配到最終調(diào)節(jié)和使用的方式。

使用軟件可配置的SiC MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)方法將更容易解決這些和其他挑戰(zhàn) 。這種方法減少了開(kāi)關(guān)損耗和振鈴，同時(shí)提高了系統(tǒng)功率密度，超出了使用標(biāo)準(zhǔn)模擬 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器所能達(dá)到的水平，以減輕 SiC 技術(shù)的二次效應(yīng)。開(kāi)發(fā)人員擁有多種使用 mSiC 柵極驅(qū)動(dòng)器的構(gòu)建或購(gòu)買(mǎi)選項(xiàng)，從模塊適配器板支持的數(shù)字柵極驅(qū)動(dòng)器內(nèi)核到為廣泛采用的模塊封裝預(yù)先配置的即插即用解決方案，幫助開(kāi)發(fā)人員和設(shè)計(jì)人員輕松采用 SiC 、速度和信心。