導(dǎo)語(yǔ)：在過(guò)去的一個(gè)多月，我們從最基礎(chǔ)的器件入手，深入了解再探討SiC MOSFET與Si IGBT的單個(gè)特性和并聯(lián)后的表現(xiàn)，并借助一些案例說(shuō)明了如何利用這些器件本身的特性來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)性能？以上是第一步。在第二步中，我們我們進(jìn)入逆變器層級(jí)，探討如何在不同負(fù)載條件下，充分利用SiC MOSFET和Si IGBT的電流能力，以達(dá)到效率與性能的最佳平衡？

通過(guò)前兩步的討論，我們知道了：通過(guò)精準(zhǔn)控制混合開關(guān)中Si和SiC器件的開通與關(guān)斷時(shí)序，可以顯著提升其整體性能，這一方法因其高度的靈活性而成為業(yè)界研究與應(yīng)用的方向之一。然而，若缺乏高度集成且可靠的新型驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品作為支撐，傳統(tǒng)方案將不得不增加一倍的驅(qū)動(dòng)芯片、外圍驅(qū)動(dòng)電路及安全邏輯電路，從而削弱產(chǎn)品的成本優(yōu)勢(shì)。

值得慶幸的是，主流芯片廠商如ST和NXP已著手研發(fā)具備柵極開通關(guān)斷時(shí)序管理功能的驅(qū)動(dòng)芯片。相較于傳統(tǒng)方案，這類新型驅(qū)動(dòng)電路的成本僅略有提升，而結(jié)合混合開關(guān)減少的SiC器件用量，產(chǎn)品成本得以有效控制。今天我們就來(lái)聊聊這一款來(lái)自ST的帶有柵極時(shí)序控制功能的解決方案。

目錄1. 前言2. 幾種柵極驅(qū)動(dòng)方案，究竟哪個(gè)更好？3. ST的解決方案揭秘4. 時(shí)序管理功能解讀（知識(shí)星球發(fā)布）5. 其他亮點(diǎn)（知識(shí)星球發(fā)布）6. ST方案支持的控制策略有哪些？（知識(shí)星球發(fā)布）7. 實(shí)測(cè)效果如何？（知識(shí)星球發(fā)布）6. 總結(jié)

01 前言

在電力電子應(yīng)用領(lǐng)域，SiC功率器件以其更高的功率密度、更高的效率以及對(duì)系統(tǒng)散熱要求的降低等顯著優(yōu)勢(shì)而備受矚目。在逆變器應(yīng)用中，混合開關(guān)憑借其介于于Si與SiC器件之間的特性，在成本與性能之間實(shí)現(xiàn)了良好的平衡。|SysPro備注：這部分之前聊過(guò)，這里不再展開，可以回顧前期的文章：SiC+Si混合驅(qū)動(dòng)技術(shù)全解析：器件特征對(duì)比、拓?fù)浞治?、WLTP能耗分析、Si/SiC選擇原則、SiC+Si融合技術(shù)

圖片來(lái)源：ST

圖片來(lái)源：ST

02 幾種柵極驅(qū)動(dòng)方案，究竟哪個(gè)更好？ 使用常規(guī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行同步控制時(shí)（即一個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片控制一個(gè)橋臂），混合開關(guān)器件的靈活度受限，無(wú)法充分發(fā)揮混合開關(guān)的優(yōu)勢(shì)。這是因?yàn)镾i與SiC器件在開關(guān)過(guò)程中的過(guò)流和換流特性對(duì)功率器件的電流能力配比提出了嚴(yán)格要求。

| SysPro備注，可參考「SysPro電力電子技術(shù)」星球中對(duì)電流分配特性的介紹：2. Si/SiC器件特征詳解 | 2.4混合開關(guān)電流分配特性

雖然可以考慮采用具備驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度控制的驅(qū)動(dòng)芯片（仍為一個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片控制一個(gè)橋臂），通過(guò)在不同負(fù)載工況下調(diào)整驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度配置來(lái)控制Si和SiC器件的相對(duì)開關(guān)速度，從而優(yōu)化過(guò)流現(xiàn)象。但此方案在小負(fù)載工況下難以充分利用SiC器件開關(guān)速度快、開通損耗小的特點(diǎn)，無(wú)法完全發(fā)揮SiC器件的優(yōu)勢(shì)。

| SysPro備注，通過(guò)調(diào)整驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度來(lái)優(yōu)化SiC器件的過(guò)流方案可參考這篇文章：2. Si/SiC器件特征詳解 | 2.6 同步開關(guān)中的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度控制策略中篇：過(guò)流優(yōu)化思路

為了追求更卓越的性能和靈活性，行業(yè)內(nèi)部分廠家曾嘗試過(guò)每個(gè)橋臂使用兩個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片分別驅(qū)動(dòng)Si和SiC器件的方案。此方案實(shí)現(xiàn)了Si和SiC器件在控制上的解耦，因此幾乎可以應(yīng)用所有混合開關(guān)控制策略。然而，其劣勢(shì)也顯而易見：若量產(chǎn)，增加的一套驅(qū)動(dòng)電路、外圍電路及安全邏輯電路將大幅提升產(chǎn)品成本，從而抵消混合開關(guān)帶來(lái)的成本優(yōu)勢(shì)。

另一種方案是采用單個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)一個(gè)橋臂，但在驅(qū)動(dòng)與Si、SiC柵極之間引入不同的延時(shí)電路，以控制混合開關(guān)中Si和SiC器件開通關(guān)斷的相對(duì)時(shí)序。此方案驅(qū)動(dòng)電路的綜合成本較低，同時(shí)能夠采用較為靈活的時(shí)序控制策略，使混合開關(guān)在高低負(fù)載下均表現(xiàn)出色。此外，通過(guò)開關(guān)時(shí)序控制還可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)損耗控制、節(jié)溫控制等多種優(yōu)化策略，全面挖掘混合開關(guān)的潛力。這一方向已成為混合開關(guān)控制領(lǐng)域的主流。| SysPro備注：在「SysPro電力電子技術(shù)」星球中“2.10 柵極控制策略在逆變器中的應(yīng)用” 系列文章中作詳細(xì)介紹，目前已完成：

2.10 柵極控制策略在逆變器中的應(yīng)用：基于負(fù)載電流大小的混合開關(guān)時(shí)序控制

2.10 柵極控制策略在逆變器中的應(yīng)用：高負(fù)載下時(shí)序控制和驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度控制的對(duì)比

03

ST的解決方案揭秘

目前，主流大廠如NXP和ST均在積極開發(fā)支持混合開關(guān)Si、SiC時(shí)序控制的單芯片驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品。一旦這些產(chǎn)品量產(chǎn)，其集成度、易用性及成本上的優(yōu)勢(shì)勢(shì)必將使其成為混合開關(guān)領(lǐng)域的主流選擇。

本文以ST柵極驅(qū)動(dòng)芯片為例，介紹ST的最新開發(fā)成果。下圖為該驅(qū)動(dòng)芯片的功能框圖。其特殊之處在于：在高壓側(cè)，它提供了兩個(gè)通道的柵極驅(qū)動(dòng)輸出，來(lái)控制對(duì)柵極的充放電。比如OUT1B和OUT2B均用來(lái)控制IGBT的柵極，其中OUT1B控制柵極的開通，OUT2A控制柵極的關(guān)斷；OUT1A和OUT2A用來(lái)控制MOSFET的柵極，其中OUT1A控制柵極的開通，OUT2A控制柵極的關(guān)斷。

圖片來(lái)源：ST

此外，在該驅(qū)動(dòng)的低壓側(cè)，有一組開關(guān)時(shí)序控制的引腳，用作控制驅(qū)動(dòng)輸出通道A和B之間的開通順序：。.. ；有一組延遲時(shí)序選擇引腳，用于控制驅(qū)動(dòng)輸出A和B的開通或者關(guān)斷延時(shí)。..；該驅(qū)動(dòng)芯片的兩個(gè)輸出通道有著獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電平，方便對(duì)Si和SiC器件設(shè)計(jì)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電壓（知識(shí)星球發(fā)布）。

| SysPro補(bǔ)充：在「SysPro電力電子技術(shù)」星球中2.7 章節(jié)介紹具體混合開關(guān)驅(qū)動(dòng)電壓策略

04

時(shí)序管理功能

（知識(shí)星球發(fā)布）

ST柵極驅(qū)動(dòng)芯片的時(shí)序管理只需要一組PWM輸入，結(jié)合XXX和XXX引腳的配置，即可實(shí)時(shí)選擇SiC通道和IGBT通道獨(dú)立的開通和關(guān)斷延遲時(shí)間。下面我們具體解讀下，看看不同通道是如何通過(guò)邏輯電平完成開關(guān)切換的？。..

05

其他亮點(diǎn)

該驅(qū)動(dòng)芯片還配置了一個(gè)米勒鉗位輸出引腳。..

06

ST方案支持的控制策略有哪些？

（知識(shí)星球發(fā)布）

ST的這種時(shí)序控制方案，可以支持靈活的混合開關(guān)控制策略。比如應(yīng)用效率控制策略，或者結(jié)溫控制策略，來(lái)控制不同的混合開關(guān)開通關(guān)斷延時(shí)，靈活度較高。如下圖所示，這些策略會(huì)在效率或者節(jié)溫上有不同傾向，來(lái)實(shí)現(xiàn)較高的效率或者較高的電流利用率。..

07

實(shí)測(cè)效果如何？

（知識(shí)星球發(fā)布）

下面我們通過(guò)幾張圖，來(lái)看看ST這套混合開關(guān)驅(qū)動(dòng)方案的效率提升效果。..

08

結(jié)語(yǔ)

這篇主要是想通過(guò)介紹了ST開發(fā)的混合開關(guān)驅(qū)動(dòng)芯片產(chǎn)品，說(shuō)明市場(chǎng)上已有具體的解決方案，在只有一個(gè)通道的柵極PWM控制信號(hào)輸入的前提下，可以實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)通道的輸出，來(lái)分別控制Si和SiC器件，因而可以支持靈活的控制策略，并能在實(shí)際應(yīng)用中顯著提升效率。后續(xù)本星球也會(huì)介紹其他廠家的混合開關(guān)驅(qū)動(dòng)方案，相信隨著這些產(chǎn)品的量產(chǎn)，混合開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用前景將更加廣闊。