在IEEE PEAC 2018國際會議期間PI大功率技術總監(jiān)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(xù)加速。

電動汽車(EV)生態(tài)系統(tǒng)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(tǒng)、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(tǒng)。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(yōu)異的穩(wěn)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(xiàn)的更穩(wěn)健的通信技術則可延長系統(tǒng)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(tǒng)穩(wěn)定性。

Power Integrations已發(fā)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(yè)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(chuàng)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(yè)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(xiàn)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(wěn)定性不足的固有問題。

Power Integrations已能夠推出眾多的創(chuàng)新特性，其中包括可穩(wěn)定門極-發(fā)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(shù)。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，F(xiàn)luxLink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(shù)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(tǒng)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?；陔娮璧臋z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(fā)射極電壓(VCE)從關斷狀態(tài)（與直流母線電壓處于相同水平）下降到非常低的通態(tài)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(xù)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(fā)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(xiàn)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(yōu)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(wěn)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(tǒng)所需的低壓的DC-DC電壓變頻器。

完整的產品數(shù)據(jù)可從Power Integrations網(wǎng)站獲取，另有參考設計和應用指南可供使用。