门级驱动器正迎接新一波可再生能源的浪潮

在从能源向可再生能源转变的这一过程中，半导体相比以往可以发挥出更多价值，在提高可靠性、促进能源生产率、提高效率、降低成本等方面发挥着积极作用。

从太阳能光伏板，到风力涡轮发电机，从最大功率点追踪到交直流变频，从二次侧控制及保护到储能与配电系统的整合，电网的发储输配用各环节离不开各种类型的芯片，特别是电力电子相关的功率器件，从而来保证整个电力系统平稳高效地运行。

Power Integrations, Inc（PI）营销副总裁 Doug Bailey表示：“成为一名电力工程师是一个非常激动人心的时刻。我们正朝着几乎所有事物的电气化方向发展。但这当然意味着新的能源生产形式，包括风能和光伏，需要更加高效。PI的理念可以很好地概括为“追求最大效率”。这适用于我们所做的一切，从智能移动充电器和适配器，到为家电、家庭和楼宇自动化、电动汽车和电动汽车供电，再到替代能源系统的电源解决方案。”

深耕可再生能源市场

PI被大家广泛熟知的是其在AC/DC市场的产品组合，实际上PI作为电力电子公司，很早就开始布局可再生能源市场。一个典型例子是2012年，PI收购了CT-Concept。CONCEPT成立于1986年，总部位于瑞士比尔，专注于太阳能和风能、电力机车和高效直流输电线路等大功率应用的栅极驱动器。2013年，PI在德国Ense开设一家新的IGBT设计中心。该设计中心基于其驱动核开发半定制门极驱动设计，并利用CONCEPT的SCALE-2平台为大型项目研发和量身定制驱动器。

而在不久前，PI也宣布在比尔扩建了一系列设施，包括办公及研发中心，以及SMT（表面贴装）原型验证生产线，以满足市场对于大功率驱动应用不断增长的需求。

Bailey表示，目前全世界正在逐步降低化石燃料的利用，并几乎在所有领域拥抱电气化的进程。“PI很自豪能够站在可再生能源技术的最前沿，我们在全球范围内进行研发，其中比尔是我们计划的重要组成部分，尤其是在逆变器市场中。”

引领可再生能源的差异化竞争

如何利用芯片帮助可再生能源实现最高效的解决方案？Bailey凝练为一个词——集成。集成是半导体及芯片技术不断进步的基础，集成可提高性能、提高可靠性并减少 BOM 数量。它还可以降低系统成本。

以PI的 SCALE 和 SCALE 2产品为例，SCALE 和 SCALE 2 是逆变器栅极驱动ASIC（用于 IGBT 和 SiC MOS 器件），能够提供对功率器件的精确控制，并最大限度地提高性能。它们还包括非常先进的保护功能，可防止短路、过热等，还能够减少所需的电源转换模块的数量。

“高度集成离不开各类创新技术。”Bailey说道。“比如，我们针对光伏和风力涡轮机装置的一些产品提供了FluxLink高速磁感应隔离通信技术，该技术显着提高了隔离能力。FluxLink 是信号传输领域的一场革命，它取代了光耦合器和电容或基于硅的隔离方案，显著提高了可靠性并提供高达 1200 V 的增强隔离。”

同时，Bailey还提到了可再生能源领域的新兴技术——碳化硅（SiC）MOSFET，这种全新的宽禁带半导体由于具有更高的转换效率并支持更高的电压，是能源领域中冉冉升起的新星。PI也为其提供相配套的驱动器，使设计人员能够在没有严格的学习曲线的情况下最大限度地发挥 SiC 的优势。

和其他驱动芯片供应商不同，PI同时提供完整的即插即用控制及驱动板级系统，可支持市面上绝大多数的主流功率模块，同时具有灵活坚固的机械性和精确可靠的电气性能，从而降低客户的开发风险，降低总体成本，并加速产品的上市周期。

一切以安全可靠为核心

“光伏和风能设备供应商必须最大限度地延长其设备的使用寿命。”Bailey说道。

比如在门驱动器应用中，与基于离散的传统解决方案相比，通过集成可显著减少元件数量和PCB尺寸。集成还能提高可靠性，减少组件意味着减少潜在故障因素，从而改善整个系统的平均故障间隔时间（MTBF），这对于需要长达十几年至数十年的电力系统来说至关重要，不仅意味着节约能源，更重要的是节约运维成本，尤其是位于偏远地区的系统。

对于集成驱动级而言，本身设计并不难，无论是更快的SiC，还是更广泛的IGBT，都有众多解决方案，难的是更安全的“开关”。比如太阳能应用的一大技术挑战——过电压开关。

太阳能逆变器（更确切地说，太阳能电池板）的开路电压，特别是在低温下，可以导致增加的DC链路电压接近电源开关的最大阻塞能力。在此期间，任何标准有源钳位电路都可能导致电源开关意外接通。这种状况轻则导致额外的损耗和增加EMI，最严重的可能是太阳能转换器的完全损坏。

为了解决这种情况，PI开发了一种精密的有源钳位技术，名为“动态高级有源钳位（DA²C）”，可自动激活和关闭钳位功能，使太阳能逆变器能够在所有应用条件下安全运行。

详解为可再生能源而生的产品

SCALE-iFlex LT双栅极驱动器适用于可再生能源发电和储能的多种应用，特别适用于 3 至 5 MW 范围内的集中式光伏和海上风力涡轮机应用。新型即插即用型驱动器可将多个并联EconoDUAL3模块的性能提高20%，这也意味着用户在相同功率输出情况下，可以将功率逆变器和变换器堆栈中并联的每六个模块削减至五个。除了节省驱动器和模块的成本外，这还降低了控制复杂性以及与模块、接线、硬件和散热有关的成本。

想要降低成本和复杂性的技术原因在于，保证模块之间的开通和关断指令的延迟差异小于20ns，在导通600A额定电流时模块之间的电流差异小于20A。这使得各模块能够可靠地运行，而无需进行电流降额，而电流降额在不太先进的驱动器解决方案中是必不可少的。

SCALE-iFlex LT最多可支持并联六个英飞凌EconoDUAL3或同等功率模块，并且可以与隔离主控制 (IMC) 单元并联，其外形比传统产品更加紧凑。

新型的SiC MOSFET可大幅提高大功率逆变器应用的开关性能，能够在增强热性能的同时提供较高的击穿场强及载流子漂移速度。不过，SiC要求在更紧凑的设计中能够获得更快速的短路保护，这对门极驱动器提出了独特的挑战 —— 需要在不同的SiC架构中支持各种不同的门极电压。

SIC1182K SCALE-iDriver IC秉承了PI的简单化、集成化的核心，该SiC栅极驱动器可配置为不同栅极电压，从而满足各类SiC MOSFET，特别针对光伏和风能设备应用。可提供最大峰值输出门极电流且无需外部推动级。

SCALE-iDriver SiC1182K SiC门极驱动器采用PI的高速FluxLink通信技术。SCALE-iDriver器件还集成了多项对系统至关重要的保护特性，例如退饱和监控和电流检测读出、原方和副方欠压保护(UVLO)以及高级有源钳位(AAC)。此外，保护电路还可以在5微秒内提供安全关断，满足SiC器件的快速保护需求。SiC1182K SiC门极驱动器还具有较强的外部磁场抗扰性能，其封装可提供≥9.5 mm的爬电距离和电气间隙，并且所采用的材料达到了IEC60112标准的最高CTI级 ——CTI600。

总结

如今，随着电力电子技术的不断发展，SiC、IGBT、MOSFET等技术的选择正处在十字路口，SiC性能好但是价格高且具有设计门槛，IGBT和MOSFET更为成熟但效率相对较低，无论如何，长期来看，不同产品还将根据场景和要求不同，继续发挥价值。

也正因此，PI开发出适合不同功率器件。Bailey总结道：“在PI，我们与技术无关。我们相信使用最适合应用的技术——正如俗话说的那样，我们选择“物尽其善（horses for courses）”。因为我们不受任何单一技术的束缚，我们可以根据不同需求，提供最佳性能、可靠性和投资回报率的系统。”

PI的高效能源技术得到了市场的普遍认可，自1998年问世以来，PI的EcoSmart节能技术已节省了数十亿美元的能耗，避免了数以百万吨的碳排放。由于PI产品对环境保护的作用，公司股票已被归入到由Cleantech Group LLC及Clean Edge赞助的环保技术股票指数下。

而现在，通过涵盖从10kW到超过1GW应用的支持，PI的门级驱动器正在迎接新一波可再生能源的浪潮。