PFEA113-65 3BSE050092R65现代电力电子器件的隔离式栅极驱动器

在快速发展的高性能汽车和工业电子领域，一个不变的事实是对更高效率、可靠性和安全性的不懈要求。功率转换和运动控制系统的核心是一个关键元件:隔离栅极驱动器。

　　这些器件提供电流隔离，同时支持无缝通信和控制，充当低压控制子系统和高压功率级之间的桥梁。它们在确保系统安全和能量转换效率方面的作用是不可或缺的。

　　在安全关键型应用中，如汽车牵引逆变器、工业机器人、医疗设备和医疗器械，满足严格的功能安全标准的能力至关重要，包括汽车安全完整性等级(ASIL)合规性。这些器件的任务是精确控制IGBTs和SiC MOSFETs等功率开关，防止故障，并在苛刻条件下保持操作完整性。

　　隔离式栅极驱动器的核心执行三项基本功能:提供电流隔离、保护电源开关，以及与微控制器或FPGAs等控制单元一起有效控制其工作。通过以最小的能量损耗和安全的方式打开和关闭这些开关，栅极驱动器可以最大限度地提高系统性能，同时保持稳定性。

　　本文以Rohm的BM6112FV-C为例，探讨选择栅极驱动器的关键考虑因素。凭借超过15年的经验，罗门已经成为隔离栅极驱动器集成电路(GDIC)开发的领导者，在用于汽车牵引逆变器的非光学隔离栅极驱动器领域占据市场领先份额。BM6112FV-C充分体现了汽车和工业逆变器所需的众多特性，是要求最苛刻的高压、大功率应用之一，是讨论各种设计考虑的绝佳范例。

　　电流隔离

　　电流隔离指的是电域之间的电隔离，例如高压域和低压域之间的电隔离。这种分离是出于安全符合性以及功能原因所必需的。

　　从安全角度来看，UL 1577和IEC 60664-1等法规要求电流隔离，以防止在高于60Vdc的电压下运行的系统触电。在安全至上的应用中，例如医疗设备，需要另一层隔离以防第一层失效。当两个这样的隔离层实现为一个物理层，提供等效的保护时，称为增强隔离。这种方法提供了与双层隔离相同的可靠性，但降低了尺寸和成本，非常适合受空间和预算限制的设计。ROHM的BD6112HFV-C是增强隔离的BD6112FV-C，保持相同的功能、封装和引脚排列，但包括第二层隔离。

　　独立于安全原因，高电压域需要与低电压域电流隔离，这样设计才能正常工作。这就是所谓的功能隔离。考虑在400V-800V和200A-300A下工作的电动车辆(EV)或工业电机驱动逆变器中的典型逆变器。以几到几十kHz的频率切换如此高的电压和电流会产生电干扰。这些干扰从电源开关侧通过接地环路传播到MCU、SoC和FPGA所在的低压控制子系统。这种瞬态电压和电流会损坏这些低压设备或导致它们发生故障。这将导致系统故障或灾难性故障。电流隔离栅通过有效切断两个电源域之间的接地环路来防止瞬变传播。

　　隔离栅的测试和认证由各种标准管理(UL 1577，VDE 0884-10)。例如，BM6112FVC提供3.75 kVrms额定值，并通过UL 1577认证。这意味着它可以用在DC总线电压高达891V的系统中，按照IEC 60664-1，污染等级为1和2。对于较低的工作电压，例如使用400V电池的电动车辆，2.5 kVrms的器件就足够了，因为它们可以安全地用于高达566 VDC的工作电压。ROHM的2.5 kVrms栅极驱动器系列包括BM6109FV-C和BM6123FV-C。

　　隔离技术的类型

　　隔离可以通过各种技术实现，每种技术都有自己的优势和局限性:

　　光耦合:出色的隔离，但相对较慢，性能会随着时间的推移而下降。

　　电容耦合:体积小，速度快，功耗低，长期可靠性好。由于它是基于变化的电场工作的，所以它容易受到强电场的影响。

　　电感(磁)耦合:紧凑、快速、低功耗、长期可靠性好。由于它是基于变化的磁场运行的，所以它容易受到强磁场的影响。