在電力電子領域，半橋器件作為一種關鍵的電路拓撲結(jié)構，廣泛應用于電機驅(qū)動、電源轉(zhuǎn)換、逆變器等眾多場景。半橋拓撲通常由兩個開關器件(如 MOSFET 或 IGBT)組成，分別處于高邊和低邊，通過交替開關來精準控制負載的電流和電壓。其工作原理并不復雜，高邊導通、低邊關斷時，電流從電源正極經(jīng)高邊開關流向負載，再返回電源負極;低邊導通、高邊關斷時，電流則從負載經(jīng)低邊開關流向地。然而，在實際運行過程中，半橋器件的開關安全與速度成為了影響系統(tǒng)性能與可靠性的關鍵因素。

以新能源汽車的車載充電器(OBC)和直流 - 直流轉(zhuǎn)換器(DC/DC)為例，半橋器件在其中承擔著功率轉(zhuǎn)換的重任。在 OBC 中，需要將交流電高效穩(wěn)定地轉(zhuǎn)換為直流電為電池充電，這要求半橋器件能夠快速、安全地切換，以實現(xiàn)高功率因數(shù)和低諧波失真。而在 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中，要實現(xiàn)不同電壓等級之間的穩(wěn)定轉(zhuǎn)換，同樣對半橋器件的開關性能提出了嚴苛要求。此外，在工業(yè)電機驅(qū)動領域，半橋器件控制電機的轉(zhuǎn)速和扭矩，其開關速度和安全性直接關系到電機的運行效率與穩(wěn)定性。

開關安全問題首當其沖。在諸如 OBC、DC/DC、工業(yè)電源以及電機驅(qū)動等橋式電路應用里，功率器件極易遭受串擾行為的困擾。特別是隨著第三代功率器件如碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)的廣泛應用，問題愈發(fā)凸顯。這些新型器件的門極閾值電壓降低，最大耐受負壓也減小，導致抑制寄生導通的電壓裕量不斷縮水。以 SiC 功率器件為例，其高 dv/dt 特性使得門極常常面臨正負串擾電壓幅度超出門極開啟閾值及負向耐壓極限的情況，這極有可能引發(fā)誤導通或器件損傷，嚴重威脅系統(tǒng)安全。傳統(tǒng)的半橋驅(qū)動芯片在應對這一問題時，通常需要對驅(qū)動電路進行精細調(diào)整，包括驅(qū)動參數(shù)、正負供電電壓，以及優(yōu)化 PCB 柵極寄生參數(shù)等。但即便如此，在很多復雜工況下，依然難以將正負串擾同時控制在安全余量內(nèi)，這不僅限制了 SiC 等器件性能的充分發(fā)揮，還埋下了潛在的安全隱患。

開關速度也至關重要。開關速度直接影響著系統(tǒng)的功率密度和效率。以電機驅(qū)動為例，更快的開關速度意味著電機能夠更快速、精準地響應控制信號，實現(xiàn)更平滑的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，提升電機的動態(tài)性能。同時，高開關速度有助于減小磁性元件(如電感、變壓器)的尺寸和重量，從而提高整個系統(tǒng)的功率密度，降低成本。然而，提高開關速度并非易事，它往往與開關損耗、電磁干擾(EMI)等問題相互制約。如果開關速度過快，功率器件在開關過程中的損耗會顯著增加，導致器件發(fā)熱嚴重，影響其壽命和可靠性。此外，快速的電壓和電流變化還會產(chǎn)生較強的 EMI，干擾周圍電子設備的正常運行。

為了應對上述挑戰(zhàn)，眾多企業(yè)和科研機構積極投入研發(fā)，取得了一系列令人矚目的技術突破。納芯微推出的車規(guī)級隔離半橋驅(qū)動芯片 NSI6602MxEx 系列堪稱其中的佼佼者。該系列產(chǎn)品在納芯微明星產(chǎn)品 NSI6602 的基礎上，創(chuàng)新性地集成了 5A 能力的米勒鉗位功能。這一功能猶如為半橋電路安裝了一道堅固的 “安全閘”，能夠為米勒電流提供最小阻抗釋放路徑，有效抑制串擾電壓的抬升，極大地增強了半橋電路的安全性和可靠性。實驗數(shù)據(jù)表明，在相同驅(qū)動參數(shù)與 layout 條件下，NSI6602MxEx 能顯著抑制正負 Vswing，搭配適當負壓關斷后，可將門極串擾壓制至安全范圍以內(nèi)。對于部分 Ciss/Crss 優(yōu)化良好的器件，甚至無需負壓，也能實現(xiàn)串擾可控，這無疑極大地降低了系統(tǒng)設計的復雜度。此外，NSI6602MxEx 還具備超強的驅(qū)動能力，最大可輸出 10A 的拉灌電流，支持軌到軌輸出，無論是驅(qū)動更大柵極電荷的功率管，還是在多管并聯(lián)應用中，都無需額外添加緩沖器，即可實現(xiàn)高效驅(qū)動，簡化了外圍電路設計。其 32V 最大工作電壓、極限 35V 的最大耐壓，能夠從容應對更高的 EOS 沖擊，進一步提升了電路系統(tǒng)的可靠性。

梵塔推出的半橋 GaN(FCG65N150QF)同樣令人眼前一亮。它創(chuàng)新性地將半橋驅(qū)動器、兩個對稱半橋配置的 650V 耐壓、150mΩ 導阻的 GaN 晶體管以及自舉二極管集成于一體。這種高度集成的設計從根源上削弱了寄生效應對電路性能的影響，大幅降低了開關損耗和寄生參數(shù)。該器件具備無反向恢復損耗的優(yōu)良特性，開關延遲短，匹配誤差小。芯片內(nèi)置穩(wěn)壓器，低高兩側(cè)均配備 UVLO 保護功能，有效助力芯片穩(wěn)定工作，提升內(nèi)置 GaN 工作效率，確保系統(tǒng)安全、高效運轉(zhuǎn)。同時，它還支持可編程死區(qū)時間，用戶可根據(jù)實際產(chǎn)品需求精準、靈活配置，大大提高了使用的便利性與適配性。

在學術研究領域，北京大學魏進 / 王茂俊 / 沈波團隊成功研制出無閾值電壓負漂的 650V/10A 增強型 GaN 器件。他們提出的新型 Split-p-GaN 柵 HEMT(SPG-HEMT)器件，通過獨特的柵極結(jié)構設計，有效抑制了漏極偏壓導致的 Vth 負漂，大幅增強了器件的誤開啟魯棒性。實驗結(jié)果顯示，傳統(tǒng)器件在 VGS-OFF ≥ -0.4 V 時就發(fā)生了誤開啟，而新型 SPG-HEMT 在 VGS-OFF = 0 V 時仍能保持關閉狀態(tài)，只有當 VGS-OFF ≥ +0.6 V 時才發(fā)生誤開啟。這一成果有望推動肖特基型 p-GaN 柵 HEMT 在工業(yè) / 汽車等領域的廣泛應用，為半橋器件的發(fā)展注入了新的活力。

展望未來，隨著技術的不斷進步，半橋器件在開關安全與速度方面有望取得更大的突破。一方面，在材料研究領域，新型半導體材料的研發(fā)將持續(xù)推進，有望進一步提升器件的性能。例如，基于氧化鎵(Ga2O3)等新型寬禁帶半導體材料的器件研究已取得初步進展，未來有望實現(xiàn)商業(yè)化應用，為半橋器件帶來更高的耐壓、更低的導通電阻和更快的開關速度。另一方面，在電路設計和集成技術方面，更高集成度的芯片將不斷涌現(xiàn)，將驅(qū)動電路、保護電路、檢測電路等功能進一步集成，實現(xiàn)更高效、更智能的控制。同時，智能化的控制算法也將應用于半橋器件的驅(qū)動中，根據(jù)實時工況動態(tài)調(diào)整開關策略，在確保開關安全的前提下，進一步提高開關速度和系統(tǒng)效率。此外，隨著對能源效率和環(huán)境保護的要求日益提高，半橋器件在新能源發(fā)電、儲能系統(tǒng)等領域的應用將更加廣泛，這也將反過來推動相關技術的快速發(fā)展。

總之，助力半橋器件開關安全提速是一個涉及多學科、多領域的綜合性課題，需要材料科學、電路設計、控制算法等多方面的協(xié)同創(chuàng)新。當前取得的技術成果已為相關應用領域帶來了顯著的提升，而未來的發(fā)展?jié)摿Ω蔷薮?。相信在各方的共同努力下，半橋器件將在電力電子領域發(fā)揮更為重要的作用，為推動社會的可持續(xù)發(fā)展貢獻力量。