在IEEE PEAC 2018國際會議期間PI大功率技術總監魏煒先生作了題為《SCALE-iDriver - Automotive Gate Driver》的演講，介紹了Scale-iDriver在汽車極門極驅動方面的應用 。本文為魏煒先生演講全文。

電動汽車市場增長勢頭迅猛，預計將從2017年的110萬輛增至2025年的1100萬輛，與汽車相關的大功率開關器件的需求量也將隨之猛增。2025年之后，這一勢頭還將繼續加速。

電動汽車(EV)生態系統由兩個要素構成：電動汽車和充電站。電動汽車具有多個不同的開關級，包括電池管理系統、牽引逆變器、車載充電器、DC-DC變換器以及混合動力汽車(HEV)中的啟停控制系統。在國內應用中，從230VAC（單相）電源為電動汽車充電主要通過單相3.6kW充電器或三相充電器（輸出功率可達22kW）完成。對汽車電池進行快速充電（1小時以內）需要使用高壓直流充電器（最高達800V），這樣才能快速傳遞能量。

汽車功率元件需要具備優異的穩定性，大功率充電意味著動力總成的每一級都必須具有出色的效率。新的開關技術（如碳化硅）已能降低開關元件的損耗。增強型SiC、MOSFET和IGBT驅動器（如SCALE-iDriver）可提高時鐘精度并提供更大的門極電流，從而提高開關效率。新出現的更穩健的通信技術則可延長系統壽命。新型驅動器新增了諸多先進的安全特性，可在過載情況下對動力總成提供保護，從而增強系統穩定性。

Power Integrations已發布兩款AEC-Q100 Grade-1汽車級SCALE-iDriver IC ——SID1132KQ和SID1182KQ，汽車工程師可充分利用業界領先的性能和可靠性，為大電流隔離型IGBT、MOSFET和SiC模塊提供驅動。

單通道驅動器IC采用Power Integrations創新的FluxLink磁感電氣隔離通信技術，該技術可在低壓原方與高壓副方之間提供雙向高速通信鏈路。FluxLink由兩個間距為0.4mm的磁感耦合導體構成，并且嵌入在同質絕緣材料中，可提供超過8000V的絕緣且符合VDE0884-10標準（未來標準為VDE0884-11）。SID1132KQ和SID1182KQ采用Power Integrations堅固可靠的緊湊型eSOP封裝，可提供CTI600級的9.5mm爬電距離和電氣間隙，并且是唯一的汽車級門極驅動器IC，可輕松滿足汽車級5000米高海拔加強絕緣標準。

FluxLink技術已被PI多款量產的工業及消費級AC-DC變換器IC所采用，此類產品的全球出貨量已超過5億片，在實際應用中表現出極高的可靠性（故障率<1PPM）。IC封裝內集成了原方隔離帶和通信鏈路，可增強可靠性并省去光耦器等外圍隔離元件，此類元件都存在散熱性能不高和長期穩定性不足的固有問題。

Power Integrations已能夠推出眾多的創新特性，其中包括可穩定門極-發射極電壓的功率和電壓集成管理控制，以及可在電壓緩降時保護高壓電路的欠壓保護(UVLO)。這些集成特性可簡化SCALE-iDriver的電路設計，從而減少外圍元件數。此外，所集成的高級軟關斷(ASSD)和退飽和等安全特性可確保在故障時安全工作。除了提供加強絕緣外，FluxLink的高速雙向通信鏈路延遲時間還非常短。FluxLink可將器件的低壓輸入控制側與副方（高壓）相隔離。它還可以向驅動器的高壓側提供開關信息，向低壓側微控制器提供反饋故障信息。低壓側輸入管腳(IN)和輸出管腳(SO)支持5VCMOS邏輯電平。門極驅動器指令傳輸至副方（高壓）門極驅動管腳GH和GL，傳輸延遲通常分別為260nS和5ns，且時間抖動支持75kHz開關頻率，因此iDriver非常適合高頻率電源開關應用。原方（低壓）SO輸出管腳在正常工作時具有高阻抗，但會在檢測到故障時被驅動至GND電位。圖1所示為可滿足簡單的電源要求且因使用SCALE-iDriver而使外圍元件數達到最少的典型應用電路。

【圖1 - 典型應用電路】

為確保工作可靠性，驅動器必須在電壓瞬變和故障時對高壓開關元件提供保護。SCALE-iDriver元件提供短路和驅動器欠壓保護。SCALE-iDriver利用半導體退飽和效應(Dsat)檢測系統短路，并利用高級軟關斷(ASSD)技術安全關斷開關。器件支持同時基于二極管和電阻的檢測技術，這種技術對噪聲尖峰不太敏感。基于電阻的檢測技術如圖2所示。在關斷期間，VCE管腳在內部連接至COM管腳，電阻串電容CRES被放電（圖3中的紅色曲線表示VCE管腳的電位）。在功率開關接收到導通指令時，集電極-發射極電壓(VCE)從關斷狀態（與直流母線電壓處于相同水平）下降到非常低的通態電壓（參見圖3中的藍色曲線）。CRES電勢被充電至VCE飽和電壓(VCE(SAT))。CRES的充電時間取決于RVCEX、直流母線電壓和CRES電容。開通期間的VCE電壓會持續被觀測并與內部參考電壓VDES進行比較。VDES電平適合不同的開關技術。如果VCE管腳電壓超過VDES（圖3中的紅圈），驅動器將立即關斷功率半導體開關，同時控制集電極電流斜率，將VCE過沖電壓限制在最大集電極-發射極電壓(VCES)以下。導通指令在此期間以及tSO期期間會被忽略，SO管腳在內部被下拉至GND。響應延遲時間tRES為CRES充電時間，描述了從VCE退飽和后到VCE管腳電壓上升至參考電位之間的延遲（見圖3）。響應時間應足夠長，以避免在半導體開通時誤保護，并且可通過RVCE和CRES（圖2）值進行調整。高級軟關斷會在檢測到短路時激活。終止開關周期同時限制VCE電流斜率，以使VCE過沖電壓始終低于開關的額定最大值，從而實現對開關元件的保護。

【圖2 - 基于短路電阻的檢測】

使用獨立的上管驅動(GH)和下管驅動(GL)輸出，可使不同的電阻值用于優化開通和關斷電流，從而降低開通時的開關損耗，有助于提高效率。在SID1182KQ中，GH管腳可在開通期間提供7.2A的峰值電流，GL管腳可在關斷期間提供8.0A的峰值電流。（如果兩個電阻的值相同，則GH和GL管腳可以連接在一起。）

【圖3 - 故障檢測電壓曲線】

SCALE-iDriver器件非常適合要求在-40°C至+125°C的更寬溫度范圍內具有堅固可靠性能的汽車應用。由于集成了退飽和檢測和高級軟關斷特性，它們的安全性能更高，并且還是唯一符合高海拔要求的隔離式驅動器，可在5000米海拔提供531V加強絕緣。

SCALE-iDriver典型的動力總成應用包括驅動電機的牽引逆變器、提供輸入穩壓的車載充電器以及可從高壓母線吸收電流并產生輔助系統所需的低壓的DC-DC電壓變頻器。

完整的產品數據可從Power Integrations網站獲取，另有參考設計和應用指南可供使用。