STMicroelectronics (ST) 的 STGAP2SiCSN 單通道柵極驅動器旨在調節碳化硅 (SiC) MOSFET。它采用窄體 SO-8 封裝，可節省空間并具有精確的PWM 控制。據 ST 稱，隨著 SiC 技術被更廣泛地用于提高功率轉換效率，STGAP2SiCSN 簡化了節能電源系統、驅動器和控制器的設計。開關模式電源、高壓功率因數校正 (PFC)、DC/DC 轉換器、不間斷電源、太陽能、電機驅動、風扇、工廠自動化、家用電器和感應加熱是其中一些應用。

碳化硅驅動器

SiC 柵極驅動器使用隔離設計構建單個芯片，隔離確保來自微控制器的低壓命令與高壓功率級驅動分開。意法半導體產品營銷經理卡羅琳娜·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采用了用于 SiC 的隔離式柵極驅動器。電子新聞。“轉向 EV [電動汽車] 的工業方面，用于SiC的隔離式柵極驅動器用于 EV充電器和電源墻。”

據 ST 稱，由于許多政府的推動以及許多汽車制造商相應地將生產從內燃機轉向電動汽車的決定，電動汽車市場正在快速增長和發展。“原始設備制造商、一級供應商和功率半導體業務正在發生變化和發展，以跟上電動汽車的動態增長，”塞爾瓦說。“電力電子設備是車輛電氣化的關鍵部件。工藝技術、集成、系統架構和封裝是電動汽車領域未來獲勝的四個關鍵因素。下一個電動汽車市場面臨的最大挑戰是準備好合適的產品來滿足電動汽車系統的要求。”

柵極驅動器 IC 是該系統的關鍵資產。Selva 認為，意法半導體正在與美國、歐洲和中國電動汽車市場的主要參與者合作，為電動汽車基礎設施提供柵極驅動器解決方案。“STGAP2SiC 針對 SiC 的使用進行了優化，以便在功率傳輸方面提供最佳效率，”Selva 說。“這轉化為具有正確功能的柵極驅動器，允許系統設計人員利用 SiC 的大部分功能，同時對功率級進行非常穩健的控制并確保完美驅動。”

STGAP2SiCSN

STGAP2SiCSN 在柵極驅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 1,700 V 的電壓運行。“電隔離集成對工業市場發展具有戰略意義，”塞爾瓦說。“由于在驅動器內部集成了更多功能，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，并在優化性能精度的同時實現了緊湊的嵌入式單芯片解決方案，這是成為許多應用的關鍵要求。”

由于具有 ±100 V/ns 的共模瞬態抗擾度，輸入到輸出的傳播時間小于 75 ns，開關可靠。以下特性和保護增強了 STGAP2SIC 的穩健性：專門的欠壓鎖定 (UVLO)、看門狗、避免感應開啟的方法和熱關斷保護。

“在驅動半橋配置時，可能會由于硬開關導通瞬變而發生感應導通現象，并且“受害者”開關的柵極上會出現電壓尖峰，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 V _GS閾值，半橋上可能會發生直通。這是一種危險的情況，需要避免。”

Selva 補充說，為了避免感應開啟，STGAP2SIC 提供了兩種替代配置：使用外部電阻器單獨優化開啟和關閉時序的單獨輸出，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在高頻硬開關條件下過度振蕩（圖 1）。

“分離輸出選項允許優化在導通和關斷期間驅動電源開關的不同轉換，通過調整 dV/dt 避免感應導通，而米勒鉗位選項可防止通過控制功率級開關期間的米勒電流，在快速換向期間的柵極尖峰，”塞爾瓦說。“鉗位引腳在關斷期間監視外部開關的柵極。當外部晶體管處于“關斷”狀態時，驅動器工作以避免半橋的另一個開關導通時可能出現的感應導通現象。除了米勒鉗位解決方案，STGAP2SIC 也可以使用負柵極驅動。將開關柵極驅動至負電壓可增加尖峰電平和 V _GS之間的安全裕度 臨界點。”

據 ST 稱，STGAP2SIC 旨在確保 SiC 的安全運行，提供專用的 UVLO 保護，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 平面上分布相當廣泛，因此 UVLO 值更大。因此，如果我們打開具有低 V _GS的開關，損失將是巨大的，除了降低效率之外，還可能帶來安全風險。

看門狗功能的實現可確保驅動器的低壓和高壓部分之間的通信正確建立，是第三個重要的穩健性要素。看門狗檢測來自低電壓的通信何時丟失，并將驅動器的輸出設置為安全狀態，直到通信恢復。

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微控制器或 DSP。在高達 26V 的柵極驅動電壓下，驅動器可以吸收和提供高達 4A 的電流。熱關斷可在結溫高的情況下保護器件，而待機模式可降低系統功耗。

圖 1：單輸出和米勒鉗位配置（頂部）和獨立輸出配置（底部）的框圖（來源：STMicroelectronics）

應用

據 ST 稱，先進工業和汽車系統中 SiC 的柵極驅動器更為重要。“我們現在觀察到寬帶隙材料和晶體管的快速增長，因為 SiC 作為更高功率應用的功率級元件得到肯定，特別是在電動汽車領域和相關的工業基礎設施，如充電站，以及在具有先進服務器電源架構的電源和能源應用中，”塞爾瓦說。

圖 2：30 kW 至 150 kW 和 15 至 30 kW 子單元架構的直流充電器（來源：意法半導體）

圖 3：PFC Vienna 拓撲 + 諧振全橋 LLC 拓撲（來源：STMicroelectronics）

STGAP2SICSN 適用于充電基礎設施——PFC 控制器（升壓、圖騰柱和 Vienna 拓撲）和 DC/DC 控制器（諧振全橋 LLC、雙諧振全橋 LLC 和三電平全橋LLC 拓撲）（圖 2 和 3）。“該驅動程序托管在 SO-8 標準車身包中，”塞爾瓦說。“同樣的驅動器也可用于 SO-8W 封裝，根據應用要求提供不同的封裝解決方案。此驅動程序 STGAP2ICSN 及其 SO-8W 版本都用于充電基礎設施。”


審核編輯：劉清