新型電源開關(guān)技術(shù)和隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器不斷變化的格局

基于材料的新型電源開關(guān)技術(shù)的出現(xiàn) 如碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）提供了跳躍 性能優(yōu)于基于 MOSFET 和 IGBT 的傳統(tǒng)系統(tǒng) 科技。更高的開關(guān)頻率將減小元件尺寸， 允許降低成本、尺寸和重量;這些是關(guān)鍵優(yōu)勢 在汽車和能源等市場。新的電源開關(guān)也將 控制它們的組件（包括澆口）上的力變化 司機(jī)。本文將探討GaN和 SiC 開關(guān)與 IGBT/MOSFET，并討論柵極驅(qū)動(dòng)器將如何支持 這些差異。

多年來電源開關(guān)技術(shù)的供電選擇 系統(tǒng)非常簡單。在較低電壓電平下 （通常高達(dá) 600 V），MOSFET 通常是事實(shí)上的選擇，具有 更高的電壓電平通常是IGBT的域。 隨著新型電源開關(guān)的出現(xiàn)，現(xiàn)狀受到威脅 氮化鎵和碳化硅形式的技術(shù)。

這些新的開關(guān)技術(shù)在以下方面具有以下顯著優(yōu)勢： 性能條款。更高的開關(guān)頻率減小了系統(tǒng)尺寸 和重量，這在考慮目標(biāo)市場時(shí)很重要，例如 作為汽車和光伏逆變器用于能源應(yīng)用，例如 太陽能電池板。將開關(guān)速度從 20 kHz 提高到 100 kHz 可提供 顯著減輕變壓器重量，使電機(jī)更輕 電動(dòng)汽車，增加續(xù)航里程，縮小逆變器尺寸 用于太陽能應(yīng)用，使其更容易被家庭接受 應(yīng)用。此外，更高的工作溫度（特別是 GaN器件）和較低的導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)要求簡化了設(shè)計(jì)工作 對于系統(tǒng)架構(gòu)師。

與MOSFET / IGBT一樣，新技術(shù)（至少在最初）似乎可以發(fā)揮作用 不同的應(yīng)用需求。直到最近，GaN產(chǎn)品通常都是 在 200 V 范圍內(nèi)，盡管近年來這種情況迅速擴(kuò)大 并且已經(jīng)出現(xiàn)了600V范圍內(nèi)的幾種產(chǎn)品。這仍然不是 侵占SiC的主要范圍，更接近1000 V范圍， 可能表明GaN成為MOSFET的自然繼承人 器件，使SiC成為IGBT器件的替代品。然而 正如SJ MOSFET跨越間隙進(jìn)入更高電壓的應(yīng)用一樣 到 900 V，一些 GaN 開發(fā)是 開始提供能夠處理上述應(yīng)用程序的設(shè)備 600V電平。

然而，雖然這些優(yōu)勢使GaN和SiC功率開關(guān)成為 對設(shè)計(jì)師有吸引力的主張，好處不是免費(fèi)提供的。 首先是成本，設(shè)備價(jià)格比成本高出幾倍 它們的MOSFET/IGBT等效物。IGBT和MOSFET生產(chǎn)是一口井 開發(fā)和高度理解的工藝，這意味著它的成本很高 與較新的競爭對手相比，在價(jià)格競爭方面進(jìn)行了優(yōu)化和定位。 目前，SiC和GaN器件的價(jià)格仍然高出幾倍，而 與傳統(tǒng)競爭對手相比，不斷變得更具價(jià)格競爭力。多 專家和市場報(bào)告表示，定價(jià)差距將有 在廣泛采用之前顯著關(guān)閉。即便如此， 不應(yīng)該期望大規(guī)模轉(zhuǎn)換，即使是長期估計(jì) 將預(yù)測傳統(tǒng)開關(guān)技術(shù)保留大部分 未來一段時(shí)間的市場。

除了純粹的成本和財(cái)務(wù)考慮之外，技術(shù)考慮 也開始發(fā)揮作用。更高的開關(guān)速度和更高的操作性 溫度可能是氮化鎵/碳化硅開關(guān)的良好工作點(diǎn)， 但它們?nèi)匀唤o周圍IC的配角帶來問題 需要完成電源轉(zhuǎn)換信號鏈。典型信號 隔離系統(tǒng)的鏈如圖1所示。雖然增加 開關(guān)速度對控制的兩個(gè)處理器都有影響 轉(zhuǎn)換和電流感，提供反饋 循環(huán)，本文的其余部分將重點(diǎn)介紹 為電源開關(guān)提供控制信號的柵極驅(qū)動(dòng)器。

圖1.典型功率轉(zhuǎn)換信號鏈

用于氮化鎵/碳化硅的柵極驅(qū)動(dòng)器

柵極驅(qū)動(dòng)器接收過程產(chǎn)生的邏輯電平控制信號 控制系統(tǒng)，并提供驅(qū)動(dòng)所需的驅(qū)動(dòng)信號 電源開關(guān)的柵極。在隔離的系統(tǒng)中，它們還提供 隔離，分離系統(tǒng)帶電側(cè)的高壓信號 兩個(gè)用戶，安全側(cè)具有敏感的低壓電路。 充分利用 GaN/SiC技術(shù)中，柵極驅(qū)動(dòng)器必須提高其頻率 控制信號。目前基于IGBT的系統(tǒng)可能會切換數(shù)十個(gè) 千赫范圍;新出現(xiàn)的需求表明開關(guān)頻率 在數(shù)百kHz，可能高達(dá)一到兩MHz范圍內(nèi) 是必需的。這給系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來了問題，因?yàn)樗麄冊噲D 消除從柵極驅(qū)動(dòng)器到電源開關(guān)的信號路徑中的電感。 最小化走線長度以避免走線電感將是關(guān)鍵和關(guān)閉 柵極驅(qū)動(dòng)器與電源開關(guān)的共置可能成為常態(tài)。 GaN供應(yīng)商推薦的大多數(shù)（如果不是全部）布局指南強(qiáng)調(diào) 低阻抗走線和平面的重要性。此外，采用者 將尋求電源開關(guān)和支持IC供應(yīng)商來解決問題 由包裝和鍵合線引起。

SiC/GaN 開關(guān)提供的更高工作溫度范圍將 對系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員也具有吸引力，允許更多的自由推動(dòng) 性能不會遇到散熱問題。而電源開關(guān) 將在更高的溫度下工作，硅基組件 它們周圍仍然面臨與往常相同的溫度限制。鑒于 需要將驅(qū)動(dòng)器放置在開關(guān)旁邊，設(shè)計(jì)人員希望 利用新開關(guān)更高的工作溫度 面對不超過硅基溫度限制的問題 部件。

圖2.典型柵極驅(qū)動(dòng)器的傳播延遲與CMTI性能的關(guān)系。

較高的開關(guān)頻率也可能導(dǎo)致最大的 系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的問題：共模魯棒性 瞬 變。跨隔離柵耦合的高壓擺率信號 在隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器中發(fā)現(xiàn)會破壞數(shù)據(jù)傳輸，從而導(dǎo)致 在輸出上不需要的信號中。在傳統(tǒng)的基于IGBT的系統(tǒng)中， 已知抗擾度為 20 kV/μs 至 30 kV/μs 的柵極驅(qū)動(dòng)器 提供足夠的共模事件抗擾度。然而 氮化鎵器件的壓擺率通常超過這些限值，并且 穩(wěn)健的系統(tǒng)設(shè)計(jì)柵極驅(qū)動(dòng)器，支持共模瞬變 需要 100 kV/μs 及以上的抗擾度。更多最新 產(chǎn)品，如ADuM4135，采用i耦合器技術(shù) ADI公司，提供對共模瞬變的抗擾度 直接響應(yīng) 100 kV/μs。提高CMTI性能， 但是，通常可能會以額外的延遲為代價(jià)。延遲增加 意味著增加高邊和低邊開關(guān)之間的死區(qū)時(shí)間， 性能下降。在孤立地區(qū)尤其如此 柵極驅(qū)動(dòng)器，傳統(tǒng)上由于傳輸而具有更長的延遲 跨越隔離柵的信號。但是，ADuM4135 在 提供 100 kV/μs CMTI，同時(shí)仍提供 50 ns 的傳播延遲。?

對于負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)新電源的柵極驅(qū)動(dòng)器來說，這個(gè)消息并不全是壞消息 開關(guān)技術(shù)。典型的IGBT具有數(shù)百種柵極電荷 nC 范圍，因此，通常會找到柵極驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品 2 A 至 6 A 范圍內(nèi)的輸出驅(qū)動(dòng)能力。目前，可用的氮化鎵 開關(guān)可將柵極電荷提高 10× 以上，通常 5 nC 至 7 nC 范圍，因此柵極驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)要求 顯著減少。降低柵極驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)要求允許 更小的更快柵極驅(qū)動(dòng)器，減少了對外部緩沖器升壓的需求 電流輸出，從而節(jié)省空間和成本。

結(jié)論

GaN和SiC器件作為功率轉(zhuǎn)換的新解決方案的出現(xiàn) 應(yīng)用早已被預(yù)測，翹首以盼，終于有了 到。雖然這些技術(shù)提供了有吸引力的好處，但它們不是免費(fèi)的。 的成本。為了提供最佳性能，新的開關(guān)技術(shù) 將更改對使用的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的要求，以及 將給系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來新的問題。好處是顯著的 這些問題的解決方案已經(jīng)出現(xiàn);此外，可行的氮化鎵 基于 SiC 的解決方案隨時(shí)可用。

審核編輯：郭婷