NXP提供一系列隔离栅极驱动器 IC，用于控制采埃孚下一代电动汽车 (EV) 牵引逆变器核心的碳化硅 (SiC) 电源开关，该逆变器设计电压高达 800 V。

虽然硅仍然在电力电子领域占据主导地位，但 SiC 提高了牵引逆变器核心功率 MOSFET 的标准，牵引逆变器将高压电池组的电力转换为电动汽车电机的电力。其中，高效、可靠和安全地驱动这些功率器件比驱动硅器件更具挑战性。高压隔离栅极驱动器（如 NXP 的 GD316x）旨在最大限度地发挥 SiC 功率器件的性能。

随着汽车行业进入电动汽车时代，栅极驱动器正成为芯片市场的一大战场。更精确地驱动牵引逆变器中的 SiC 功率 MOSFET 可以减少电动汽车的功率损耗，从而延长每次充电的行驶里程。采埃孚表示，其在电机控制和功率器件方面的创新以及 NXP 的栅极驱动器正在提高其电动汽车牵引逆变器的功率密度和效率。

NXP高级副总裁兼驱动和能源系统总经理李晓鹤表示，基于 NXP 栅极驱动器的牵引逆变器已经投入使用。NXP 还与采埃孚合作开发用于电动汽车的下一代电力电子设备。

栅极驱动器：驱动电动汽车的未来

牵引逆变器是电动汽车动力系统的主要组件之一，因为它们将电池组的直流电压（升级到 800 V）转换为驱动电动汽车电机的时变交流电压。

牵引逆变器由几“相”功率开关组装而成，这些开关主要基于硅，然后并联放置以共享电流负载。尽管 SiC 比几十年来一直主导电力领域的 IGBT 和 MOSFET 更昂贵，但它正在取得快速进展，因为它为功率 MOSFET 带来了比硅更快的开关速度、更低的传导损耗和更好的热性能。

每个 IGBT 和 MOSFET 的前端都有一个充当电容器的栅极。必须充满电才能“打开”功率晶体管，从而允许电流在漏极和源极之间流动。相反，耗尽栅极电荷会使功率器件“关闭”。位于 FET 前面的栅极驱动器需要向栅极提供足够的电流，以控制开关周期内器件的开启和关闭时间。它还必须施加最小或“阈值”电压，以便栅极能够率先充电。

栅极驱动器充当 MCU 和位于其内部的 IGBT 或 MOSFET 之间的接口，前者输出脉冲宽度调制 (PWM) 信号来控制牵引逆变器或其他系统的运行。

尽管 SiC 具有更快的开关速度和其他独特的功率处理特性，但仍存在一些权衡。例如，驱动基于 SiC 的功率晶体管是一个比其他更复杂的过程。

虽然快速开关对于减少开关损耗至关重要，但牵引逆变器或其他系统在开关周期内不可避免地会受到更大的瞬态电压 (dv/dt) 或电流 (di/dt) 的影响。这些可能会导致寄生效应（电阻、电感和电容），从而阻碍了 SiC MOSFET 的性能发挥。

此类寄生效应不仅会降低器件的功率效率，还会导致突然的大电压，也就是所谓的过冲。这可能会永久损坏电源 IC，并威胁系统的长期可靠性。dv/dt 是功率 FET 在切换过程中漏极到源极电压的变化率，它还会增加电磁干扰 (EMI) 和其他噪声，导致系统出现振铃。这会使 SiC 功率 FET 的控制变得复杂。

NXP表示，考虑到在高频、高温和高压下会出现的所有困难，栅极驱动器通常必须从头开始设计才能与 SiC 功率 MOSFET 配合使用。

NXP和TI、英飞凌等竞争对手正在竞相推出新型的栅极驱动器，可以更谨慎地驱动 SiC MOSFET，实现更“干净”的切换，而不会产生不必要的 EMI。这些部件对于减少牵引逆变器的功率损耗至关重要，牵引逆变器的输出功率高达数万瓦，这也提高了栅极功率的要求。栅极驱动器还可以保护功率场效应晶体管 (FET) 免受损害，因此它们需要更多的电流隔离和强大的保护功能。

专为电动汽车时代设计的栅极驱动器 IC

NXP 表示，其隔离式高压栅极驱动器满足了采埃孚针对电动汽车的牵引逆变器的所有要求。

GD316x 增加了一系列先进的功能控制、诊断、监控和保护功能，这些功能针对 SiC 功率器件进行了微调，可通过 SPI 总线进行编程。这种集成可以缩小占用空间，同时简化系统设计。栅极驱动器提供 100 V/ns 的共模瞬态抗扰度 (CMTI)，以防止 EMI 影响系统，同时还具有5 kV RMS 的电流隔离。

NXP系列中的栅极驱动器之一 GD3160 可输出 15 A 的峰值电流，因此它可以克服功率器件的输入电容并快速打开和关闭它。这种分离输出栅极驱动器使您能够分离功率 FET 的开启和关闭路径，从而可以更严格地控制晶体管关闭和开启之间的死区时间。它有助于抑制可能产生不必要热量的开关损耗，从而提高系统的效率，并限制 EMI 噪声。

栅极驱动器可以提供最低 -12 V 电压和最高 25 V 电压，以确保 SiC 功率器件安全可靠地开启和关闭。大多数基于 SiC 的功率 MOSFET 的开启电压高于硅，范围约为 15 至 20 V，以限制导通电阻 (RDS(on))。但一般来说，这些芯片是用负电压关闭的，以消除 EMI 并提高可靠性和安全性。

虽然 SiC 功率 MOSFET 的 RDS(on) 非常小，但 NXP 表示其栅极驱动器系列本身的 RDS(on) 同样极小，可实现更高的电流输送和更快的切换。

一般来说，IGBT 比 SiC 功率 MOSFET 更能抵御短路和其他突然涌入的电流。NXP表示，栅极驱动器可监控功率器件的漏极和源极，并在发生短路或其他故障电流时触发“软关机”，以免对功率 FET 造成永久性损坏。该公司表示，小于 1 µs 的快速短路保护时间加上可编程栅极驱动方案有助于提高采埃孚牵引逆变器中 SiC 功率模块的性能。

它还集成了温度传感功能，有助于防止高压 SiC 功率 FET 过热。