如何以精準、高效率驅動 SiC MOSFET 與 IGBT 並提供保護

電力系統為了因應電動車 (EV)、再生能源與工業自動化需求而不斷地演變，設計人員在效率、效能與安全性之間取得平衡時，面臨更大的挑戰。儘管整合絕緣閘雙極電晶體 (IGBT) 與碳化矽 (SiC) 金屬氧化物半導體場效電晶體 (MOSFET) 等高壓元件，是達成此平衡的關鍵步驟，但這些元件仍須提供精準控制、快速切換，以及完善保護機制的閘極驅動器。

本文將探討在驅動現代電力系統 (特別是半橋式拓撲) 這方面的挑戰，然後介紹 Infineon Technologies 的閘極驅動器與評估板如何有助於克服這些難題。

現代半橋式拓撲的設計挑戰

隨著產業朝向更高的切換頻率、高電壓與寬能隙 (WBG) 半導體發展，電力系統面臨多重挑戰。儘管這些進展可提升效率，卻對閘極驅動器帶來更高的要求。

本文將以廣泛應用於各領域的標準型半橋式拓撲為例，說明這些與日俱增的嚴格要求為何。半橋電路在電動車 DC/DC 板載充電器與馬達驅動系統中非常重要。這類電路需支援雙向電力傳輸，對正常的馬達操作 (正向) 與再生煞車 (逆向) 是關鍵。新一代電動車平台採用 800 V 架構，更需要在維持切換精密度的同時，具備可靠的隔離與保護機制。

再生能源系統方面，半橋式設計是三相逆變器電網整合的核心。SiC MOSFET 與 IGBT 的更高切換頻率雖可提升效率，卻加劇了高低側開關的共模電壓問題，導致重大的電磁干擾 (EMI)，不但影響系統效能，甚至也違反了法規。

工業馬達驅動器則面臨其他挑戰，包括需在分離電容組之間維持直流匯流排的電壓平衡。隨著設計趨於小型，更高功率密度的設計，增加熱管理的難度與電氣雜訊的問題。

在這些所有應用中，設計人員需要能提供具備精準控制、快速切換能力，以及全面保護功能的閘極驅動器解決方案，同時在高壓與低壓電路之間提供穩定的隔離。

專為 IGBT/MOSFET 設計的雙通道閘極驅動器

Infineon Technologies EiceDRIVER 2ED314xMC12L 系列 (圖 1) 透過專為控制 IGBT 與 MOSFET 所設計的雙通道設計，來因應這些挑戰。全系列元件皆具備獨立通道運作與失效時間控制 (DTC) 功能，使得 2ED314xMC12L 元件可作為雙通道低側驅動器、雙通道高側驅動器，或半橋式閘極驅動器使用。

圖 1：2ED314xMC12L 系列搭載獨立通道運作與 DTC 功能，使這些元件可以作為雙通道低側驅動器、雙通道高側驅動器，或半橋式閘極驅動器使用 (圖片來源：Infineon Technologies)

在半橋配置中，雙通道架構允許單一閘極驅動器 IC 可以同時高效地控制高側與低側開關。此種整合設計能簡化印刷電路板 (PC 板) 佈局、減少元件數量，並確保通道間時序特性匹配，對於維持適當的 DTC 與防止穿透狀況十分重要。

2ED314xMC12L 系列的一項關鍵優勢在於採用無線圈變壓器技術，達成電流隔離。此技術提供高速訊號傳輸與較高的 EMI 耐受性，在電動車等電氣雜訊環境中尤為重要。

其隔離能力通過 UL 1577 認證，可提供 6.84 kV_RMS (1 秒) 與 5.7 kV_RMS (1 分鐘) 的電壓。對於在再生能源等系統中，需要耐受公用事業規模突波的應用，此種強大的隔離等級非常重要。

高輸出與高精密度切換

2ED314xMC12L 系列在多項相關效能標竿上表現優異，包括 6.5 A 的峰值輸出電流。這對 SiC MOSFETs 尤其重要，因其需要強大的閘極驅動訊號以進行高效率切換。

另一項關鍵特性是 39 ns 的傳播延遲，可達到精準的時序控制。這對工業自動化等應用非常重要，因為馬達轉速與扭矩控制都取決於高度精準的切換。

此外，零件間的傳播延遲差異相當嚴格，最大僅為 8 ns，這表示在多個驅動器 IC 並用時 (如三相馬達驅動器)，各零件間的時序差異最小。更嚴苛的通道間傳播延遲差異最大為 5 ns，有助防止每個半橋開關間發生穿透狀況。

最後，超過 200 kV/μs 的共模暫態耐受性 (CMTI) 可防止電壓瞬變引起的錯誤觸發。例如，在再生能源應用中，高耐受性可在電網波動及功率流突變時發揮穩定運作的效果。

確保穩定運作的可靠功能

2ED314xMC12L 系列整合多項保護功能，確保在高要求的電力應用中可靠地運作。每項功能皆針對高電壓切換環境中的特定可靠性問題所設計。

必要的防護機制包括主動關閉與短路箝制，可防止半橋配置中兩個電源開關在 DC 匯流排電壓之間堆疊時的穿透電流。若兩個開關同時開啟，將導致短路，可能損壞元件或使系統關閉。

另一項顯著功能是欠壓鎖定 (UVLO) 保護，可建立磁滯「死帶 (dead band)」，使狀態即便在小幅電壓波動下仍能保持穩定，避免在臨界值附近振盪。例如在太陽能系統中，UVLO 可在部分陰天的條件下維持穩定運作，避免不必要的中斷。部分型號提供 8.5 V 至 9.3 V 的 UVLO，其他則提供 12.5 V 至 13.6 V 的保護。

此外，某些選配型號具備致能引腳，為緊急關機提供額外一層的控制。這些型號的每個數位輸入引腳均包含下拉電阻，確保在引腳拆焊或斷開時，通道會停用，且預設進入安全狀態。此功能對高可靠性應用尤為重要，在這些應用中，即使發生意外故障仍需維持系統的完整性。

具備停用引腳的型號，則適用於優先考量低電流消耗與簡化控制的應用中。這些型號允許閘極驅動器預設為保持在啟用狀態下，降低待機功耗並簡化系統設計。

可選用的項目包括 2ED3140MC12L，可提供 8.5 V 至 9.3 V 磁滯的 UVLO 以及停用引腳；而 2ED3146MC12L 則提供 12.5 V 至 13.6 V 的 UVLO 及致能引腳。

高效率且可靠的封裝

此系列採用 PG-DSO-14-71 封裝 (圖 2)。此系列表面黏著封裝尺寸為 10.3 x 7.5 mm，對高功率雙通道驅動器而言，尺寸之精巧尤為顯著。在電動車應用中，此封裝可節省動力傳動系統寶貴的空間。

圖 2：2ED314xMC12L 系列採用小型的 PG-DSO-14-71 封裝 (圖片來源：Infineon Technologies)

所有型號無論大小，均可提供足夠的安全操作間距：輸入至輸出的間距為 8 mm，通道間沿面距離與間隙距離為 3.3 mm。這些尺寸可符合隔離要求，同時在空間受限的設計中，仍能滿足對小型尺寸的要求。

從評估板快速入手

為簡化測試與開發流程，Infineon Technologies 提供 EVAL-2ED3146MC12L 評估板 (圖 3)。此種半橋板是專為展示 2ED3146MC12L 隔離式閘極驅動器 IC 的功能與效能所設計。

圖 3：EVAL-2ED3146MC12L 評估板提供半橋配置以評估 2ED3146MC12L (圖片來源：Infineon Technologies)

除閘極驅動器外，評估板還包含兩顆 Infineon Technologies IMZA120R020M1HXKSA1 CoolSiC 溝槽式 MOSFET，以及一顆用於板載電源的 Infineon Technologies 2EP130R 變壓器驅動器 IC。這些元件適用於評估用途，並代表實際設計中的實用選項。

SiC MOSFET 的汲極對源極電壓額定值為 1,200 V，完全在 2ED314xMC12L 驅動 600 V 至 2,300 V 功率元件的能力範圍內。這些 MOSFET 的 18 V 閘極驅動電壓需求，可輕鬆由 2ED314xMC12L 的 35 V 絕對最大輸出電源電壓滿足。而且 MOSFET 在 + 25°C 下 19 mΩ 的低導通電阻，可將導通損耗降至最低。

這些 MOSFET 在 + 25°C 下的最大功率耗散能力為 375 W，工作溫度範圍為 - 55°C 至 + 175°C，符合高效能電力電子應用的需求。閘極驅動器的 39 ns 快速傳播延遲，以及超過 200 kV/μs 的高 CMTI 值，可支援高效高頻切換，同時在 MOSFET 的整個溫度範圍內維持可靠運作。

2EP130R 變壓器驅動器與 2ED3146MC12L 的快速傳播延遲協調運作，可提供 50 至 695 kHz 的寬切換頻率範圍。變壓器驅動器的高準確度的工作週期調整 (10% 至 50%) 與閘極驅動器的精準時序特性相輔相成，這種組合對維持半橋配置中的最佳死帶非常重要。

結論

Infineon Technologies 的 EiceDRIVER 2ED314xMC12L 系列在電動車、再生能源及工業自動化等高電壓應用的效率、效能與安全功能間，發揮平衡的作用。其緊湊的 PG-DSO-14-71 封裝可支援空間受限的設計，而 EVAL-2ED3146MC12L-SiC 評估板則可加速測試流程。