作者：Kenton Williston

投稿人：DigiKey 北美編輯

在電動汽車 (EV)、可再生能源以及工業自動化需求的推動下，電源系統持續迭代升級。在此背景下，設計人員要在效率、性能與安全性之間取得平衡，面臨著前所未有的挑戰。雖然絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 和碳化硅 (SiC) 金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 等高壓元器件的集成是實現這種平衡的關鍵一步，但這些器件需要能夠提供精確控制、快速切換和強大保護機制的柵極驅動器。

本文探討了與驅動現代電源系統相關的挑戰，重點介紹了半橋拓撲。然后，介紹了 [Infineon Technologies] 的柵極驅動器和評估板，這些產品可以幫助克服這些挑戰。

現代半橋拓撲的設計挑戰

隨著行業朝著更高的開關頻率、更高的電壓和采用寬帶隙 (WBG) 半導體的方向發展，電源系統面臨著日益嚴峻的挑戰。雖然這些進步提高了效率，但也對柵極驅動器提出了更高的要求。

為說明不斷升級的技術需求，我們以半橋拓撲為例，它在諸多應用里已成為標準配置。半橋電路在電動汽車 DC-DC 車載充電器和電機驅動系統中扮演著舉足輕重的角色。該電路支持雙向功率流，這在正常電機運轉（正向功率流）與再生制動（反向功率流）時都不可或缺。在新型電動汽車平臺向 800V 架構轉變的進程中，對可靠隔離和保護機制的需求愈發迫切，同時還需維持開關精度。

在可再生能源系統中，半橋設計是實現電網集成所必需的三相逆變器的基礎。SiC MOSFET 和 IGBT 采用的較高開關頻率提升了能源轉換效率，卻也加劇了高壓側與低壓側開關的共模電壓問題，進而引發嚴重的電磁干擾 (EMI)，這不僅影響系統整體性能，還可能導致違反相關監管標準。

工業電機驅動器面臨更多挑戰，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，當前設計朝著更緊湊、更高功率密度的方向發展，這無疑加劇了熱管理的復雜性，同時也使電氣噪聲問題愈發突出。

在所有這些應用中，設計人員急需適配的柵極驅動器解決方案，不僅要具備精準控制、快速開關的能力，還需擁有全面的保護功能，同時，還能在高壓與低壓電路間構建起可靠的隔離屏障。

專為 IGBT 和 MOSFET 打造的雙通道柵極驅動器

Infineon Technologies 的 [EiceDRIVER 2ED314xMC12L]系列（圖 1）采用專門用于控制 IGBT 和 MOSFET 的雙通道設計，來應對這些挑戰。該系列所有產品都設有帶死區時間控制 (DTC) 的獨立工作通道，這使得 2ED314xMC12L 器件既能充當雙通道低壓側驅動器，也能作為雙通道高壓側驅動器，或是半橋柵極驅動器。

圖 1：2ED314xMC12L 系列設有帶 DTC 的獨立工作通道，允許器件作為雙通道低壓側驅動器、雙通道高壓側驅動器或半橋柵極驅動器運行。（圖片來源：Infineon Technologies）

在半橋配置中，雙通道架構使得單個柵極驅動器 IC 能夠高效地控制高壓側和低壓側開關。這種高度集成的設計極大地簡化了印刷電路板 (PCB) 的布局，減少了元件的使用數量，同時支持通道間的匹配時序特性，這對于維持適當的 DTC 和防止擊穿情況至關重要。

2ED314xMC12L 系列的一個主要優勢是通過無芯變壓器技術實現電流隔離。這種方法可以實現快速信號傳輸，并且具有極強的抗電磁干擾能力，這在電動汽車等電噪聲環境中至關重要。

隔離能力通過 UL 1577 標準認證，可承受 6.84 kVRMS 電壓持續 1 秒，以及 5.7 kVRMS 電壓持續 1 分鐘。在可再生能源系統等應用中，這種強大的隔離水平對于防范高壓瞬變極為關鍵，在這類應用中，并網逆變器必須能夠耐受公用事業級電壓浪涌。

高輸出、高精度開關

2ED314xMC12L 系列在多項相關基準測試中表現出色，首當其沖的是其具備 6.5 A 的峰值輸出電流。這一高輸出特性對 SiC MOSFET 尤為有利，因為 SiC MOSFET 需要強柵極驅動信號才能實現高效開關。

另一個關鍵特性是 39 ns 的傳播延遲，這使得精確的時序控制成為可能。對于工業自動化等應用來說，這是一個重要的考量因素，因為在這些應用中，電機速度和扭矩控制依賴于高精度開關。

極為嚴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驅動器 IC 時，比如在三相電機驅動器中，各部件之間的時序差異能降至最低。更為嚴苛的通道間傳播延遲偏移（最大為 5 ns），則有助于避免每個半橋的開關之間出現擊穿現象。

最后，額定超過 200 kV/μs 的共模瞬變抗擾度 (CMTI) 有助于防止因電壓瞬變而導致的誤觸發。以可再生能源應用為例，如此高的瞬態抗擾度可確保設備在電網波動以及功率流突然變化時仍能穩定運行。

確保穩定運行的可靠性

2ED314xMC12L 系列具有多種保護功能，可確保在要求苛刻的電源應用中可靠運行。每項功能均專為解決高壓開關環境中可能出現的特定可靠性問題而設計。

主動關斷和短路箝位屬于必要的保護手段。在兩個電源開關堆疊于直流總線電壓之間的半橋配置中，這些機制能夠防范擊穿電流。如果兩個開關同時導通，由此引發的短路狀況極有可能損壞元器件，甚至導致系統停機。

另一個值得關注的特性是欠壓鎖定 (UVLO) 保護功能，該功能會創建一個磁滯“死區”，即便電壓出現微小波動，系統狀態也能維持穩定，避免在閾值附近產生振蕩。例如，在太陽能發電系統中，UVLO 可在部分多云的天氣條件下提供穩定運行，避免不必要的中斷。一些型號提供 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。

該系列產品還提供帶有使能引腳的型號，這為緊急關斷場景增添了一層額外的控制手段。在這些型號中，每個數字輸入引腳都包含一個下拉電阻，確保當引腳出現脫焊或斷開的情況時，引腳會默認進入安全狀態，通道隨即被禁用。這一功能在要求高可靠性的應用中尤其重要，因為即使發生意外故障也必須維持系統完整性。

對于優先考慮較低電流消耗和簡化控制的應用，可提供具有禁用引腳的型號。這些型號能讓柵極驅動器在默認狀態下保持激活，以此降低待機功耗，同時簡化系統設計。

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

高效可靠的封裝

該系列產品采用 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，對于高功率雙通道驅動器來說，尺寸非常緊湊。在電動汽車應用中，該封裝可節省寶貴的動力總成空間。

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

盡管尺寸小，但所有型號都提供了足夠的間距以確保安全運行：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計中所必需的緊湊外形規格。

使用評估板快速入門

為了簡化測試和開發，Infineon Technologies 提供了 [EVAL-2ED3146MC12L] 評估板（圖 3）。這款半橋板的設計初衷，是為了展示 2ED3146MC12L 隔離式柵極驅動器 IC 的各項功能。

圖 3：EVAL-2ED3146MC12L 評估板提供半橋設置來評估 2ED3146MC12L。（圖片來源：Infineon Technologies）

除了柵極驅動器外，這款評估板還包括兩個 Infineon Technologies [IMZA120R020M1HXKSA1] CoolSiC 溝槽型 MOSFET，以及一個 Infineon Technologies [2EP130R]變壓器驅動器 IC，用于板載電源。這些元器件專門為評估而設置，同時也是實際設計中切實可行的選擇。

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

這些 MOSFET 在 +25°C 時的功率耗散能力為 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用的要求。柵極驅動器具備 39 ns 的快速傳播延遲，以及 >200 kV/μs 的 CMTI，這使得其能夠實現高效的高頻開關操作，并且在 MOSFET 的整個工作溫度范圍內，都能維持可靠穩定的運行。

2EP130R 變壓器驅動器擁有 50 kHz 至 695 kHz 的寬開關頻率范圍，與 2ED3146MC12L 的快速傳播延遲協同工作，成為了柵極驅動器的有力補充。該變壓器驅動器具備高精度的占空比調整能力（可在 10% 至 50% 之間調節），與柵極驅動器精確的時序特性相得益彰，這一組合對于在半橋配置中維持最佳的死區時間而言至關重要。

總結

Infineon Technologies 的 EiceDRIVER 2ED314xMC12L 系列產品，在效率、性能以及安全功能方面實現了良好的平衡，充分滿足了電動汽車、可再生能源以及工業自動化等領域中高壓應用的需求。該系列產品采用緊湊的 PG-DSO-14-71 封裝形式，能夠適應空間有限的設計方案，而 EVAL-2ED3146MC12L-SiC 評估板則有助于實現快速測試。

審核編輯 黃宇