适用于EV和工业应用的无芯变压器隔离式SiC栅极驱动器

　　尽管传统的隔离式栅极驱动器技术（比如分立变压器、光电隔离和电容式隔离）适用于某些应用场景，但是这些技术应用到新一代EV和工业电源系统时还存在一些课题。分立变压器虽然成本较低，但仅允许从微控制器到功率器件的单向通信，而功率器件则无法将信息（比如温度、过流和短路）传回微控制器；光电隔离会由于高温运行和老化导致LED输出下降，这就需要系统随着时间和温度的变化增加电流输入，以补偿劣化的LED输出；电容式栅极驱动器需要输入正弦波信号才能打开输出，这可能会对无线通信（比如WiFi）造成电磁干扰。

　　无芯变压器技术对SiC栅极驱动器带来的革新

　　与其他隔离式栅极驱动器技术不同，无芯变压器栅极驱动器不仅不会带来困扰，而且凭借创新设计还能为系统提供多种增强功能。无芯变压器存在多种实现方案，而ROHM的无芯变压器技术则由三个内部独立平板构成，并分为负责向DSP或微控制器提供接口的低压部分和负责驱动IGBT或MOSFET的高压部分。ROHM无芯变压器的铜线圈被一块二氧化硅隔开。二氧化硅是一种稳定性非常好、熔点很高的电介质，并且具有与石英相似的特性。低压部分的工作信号为3V至5V，这与3.3V或5V微控制器或DSP兼容。

　　与光电隔离栅极驱动器不同，无芯变压器栅极驱动器在整个温度范围内具有相对稳定的导通时间和关断时间。而光电隔离栅极驱动器的行为往往会随着温度变化而变化，导通时间与关断时间之间的差异变大，这相当于死区时间变长而导致效率降低。

　　无芯变压器栅极驱动器的主要特点

　　通过XOR功能防止HS和LS交叉导通半桥栅极驱动器的XOR输入交叉布线可防止低边和高边同时导通，这是无芯变压器栅极驱动器相对于光电隔离驱动器的一个关键优势，因为光电隔离器无法实现这种功能。如果没有此功能，那么高边和低边会同时导通，系统可能会进入破坏性模式，甚至导致设备损坏或小型燃爆。

　　通过退饱和检测功能防止器件因功率过高而损坏

　　正常工作时，功率器件源极和漏极之间的电压差大约为3V。但是，如果负载发生重大故障（比如电机或电源短路），那么流经器件的电流可能会达到标称工作电流的10到20倍。这么大的电流会导致源极和漏极之间的电压差大于3V，功率器件上的功耗会因此显著增加并存在过热风险。

　　解决该问题的一种方法是使用退饱和检测和软关断功能。退饱和检测功能可以监视器件两端的电压，在过压情况下，可以软关闭器件，从而可以防止器件因功率过大而损坏。

　　通过PWM温度信号实现温度监控灵活性

　　功率器件的温度一般通过负温度系数热敏电阻进行监控，其中热敏电阻的阻值随器件温度变化而变化。这些热敏电阻通过次级侧馈电的恒定电流驱动，而器件两端的电压是热敏电阻温度系数的函数。

　　如果发生灾难性器件故障，那么系统就无法形成可导致热敏电阻过压的导电等离子体。功率器件的键合线或直流母线甚至可能与其焊盘断开，并与热敏电阻走线或热敏电阻本身接触，从而导致过压。热敏电阻过压最终可能会导致器件故障，如果系统无法获取来自热敏电阻的必要温度信息，就无法缓解故障。

　　ROHM无芯变压器技术采用脉宽调制（PWM）信号来承载温度信号，该信号根据温度曲线进行调制，成功解决了该问题。该方法实现了与初级侧的隔离，并且能够连续监控电路板温度，降低了灾难性损坏的风险。

　　通过集成米勒钳位功能减小瞬态电压尖峰

　　对于典型的半桥功率器件来说，当低边器件关断、高边器件与低边器件的漏极电压耦合时，会造成一个几十纳秒的0V至800V的dv/dt突变。这是有问题的，因为低边器件栅极到漏极的寄生电容可能会被充电，产生超过2V至2.5V的电压尖峰，接近低边器件的导通电压。这可能会造成直通问题，即半桥电源器件的低边和高边同时开启。

　　防止这种情况发生的方法包括：使用正负电压源；使用米勒钳位功能。由于使用负电源会带来额外的成本和设计复杂性，因此对于许多应用来说，首选方法是使用米勒钳位。

　　米勒钳位器是一种晶体管，其作用是在MOSFET栅极和源极之间提供一个低电阻路径，钳住瞬态电压，防止低边器件的栅极与漏极之间产生过高电压。某些功率器件内置了米勒钳位功能；某些栅极驱动器中会包含一个开放端口，用于引入米勒钳位功能。ROHM的无芯变压器栅极驱动器内置了有源米勒钳位功能，并设计了一个用于有源米勒钳位的栅极控制引脚以及一个驱动MOSFET的电源引脚。

　　结论

　　ROHM的无芯变压器栅极驱动器新技术能够为新一代EV和工业电源系统应用提供多种功能特性和性能优势。不仅具有非常高的隔离电压，ROHM的栅极驱动器（比如BM6112FV-C）还具有多种增值功能，既可以减少驱动器系统所需的元器件数量，又可以确保系统的安全性、效率以及对关键电源电路参数的监控。