GaN和SiC器件或?qū)⒊蔀楣β兽D(zhuǎn)換應(yīng)用中的新型解決方案

Maurice Moroney 市場(chǎng)經(jīng)理 ADI公司

基于碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等材料的新型功率開(kāi)關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)促使性能大幅提升，超越了基于MOSFET和IGBT技術(shù)的傳統(tǒng)系統(tǒng)。更高的開(kāi)關(guān)頻率將減小元件尺寸，從而減小成本、系統(tǒng)尺寸和重量；這些是汽車(chē)和能源等市場(chǎng)中的主要優(yōu)勢(shì)。新型功率開(kāi)關(guān)還將促使其控制元件發(fā)生變化，其中包括柵極驅(qū)動(dòng)器。本文將探討GaN和SiC開(kāi)關(guān)與IGBT/MOSFET的一些主要差異，以及柵極驅(qū)動(dòng)器將如何為這些差異提供支持。

多年來(lái)，功率輸出系統(tǒng)的功率開(kāi)關(guān)技術(shù)選擇一直非常簡(jiǎn)單。在低電壓水平(通常為600 V以下)，通常會(huì)選擇MOSFET；在高電壓水平，通常會(huì)更多地選擇IGBT。隨著氮化鎵和碳化硅形式的新型功率開(kāi)關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)，這種情況正面臨威脅。

這些新型開(kāi)關(guān)技術(shù)在性能方面具有多項(xiàng)明顯優(yōu)勢(shì)。更高的開(kāi)關(guān)頻率可減小系統(tǒng)尺寸和重量，這對(duì)太陽(yáng)能面板等能源應(yīng)用中使用的光伏逆變器以及汽車(chē)等目標(biāo)市場(chǎng)非常重要。開(kāi)關(guān)速度從20 kHz提高至100 kHz可大幅減小變壓器重量，從而使電動(dòng)汽車(chē)的電機(jī)更輕，而且還能擴(kuò)大太陽(yáng)能應(yīng)用中所用的逆變器的范圍，減小其尺寸，從而使其更適合國(guó)內(nèi)應(yīng)用。另外，更高的工作溫度(尤其是GaN器件)和更低的開(kāi)啟驅(qū)動(dòng)要求還可簡(jiǎn)化系統(tǒng)架構(gòu)師的設(shè)計(jì)工作。

與MOSFET/IGBT一樣，這些新技術(shù)(至少在初始階段)看起來(lái)能夠滿足不同的應(yīng)用需求。直到最近，GaN產(chǎn)品通常還處于200 V范圍內(nèi)，盡管近年來(lái)這些產(chǎn)品已經(jīng)飛速發(fā)展，并且出現(xiàn)了多種600 V范圍內(nèi)的產(chǎn)品。但這仍然遠(yuǎn)不及SiC的主要范圍(接近1000 V)，這表明，GaN已自然而然地取代了MOSFET器件，而SiC則取代了IGBT器件。既然超結(jié)MOSFET能夠跨越此鴻溝并實(shí)現(xiàn)最高達(dá)900 V的高電壓應(yīng)用，一些GaN研發(fā)開(kāi)始提供能夠應(yīng)對(duì)電壓在600 V以上的應(yīng)用的器件，這完全不足為奇。

然而，雖然這些優(yōu)勢(shì)使得GaN和SiC功率開(kāi)關(guān)對(duì)設(shè)計(jì)人員極具吸引力，但這種好處并非毫無(wú)代價(jià)。最主要的代價(jià)是成本提高，這種器件的價(jià)格比同等MOSFET/IGBT產(chǎn)品高出好幾倍。IGBT和MOSFET生產(chǎn)是一種發(fā)展良好且極易掌握的過(guò)程，這意味著與其新對(duì)手相比，其成本更低、價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力更高。目前，與其傳統(tǒng)對(duì)手相比，SiC和GaN器件的價(jià)格仍然高出數(shù)倍，但其價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力正在不斷提高。許多專(zhuān)家和市場(chǎng)調(diào)查報(bào)告已經(jīng)表明，必須在廣泛應(yīng)用前大幅縮小價(jià)格差距。即使縮小了價(jià)格差距，新型功率開(kāi)關(guān)也不太可能立即實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，甚至從長(zhǎng)期預(yù)測(cè)來(lái)看，傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)技術(shù)也仍將在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)繼續(xù)占據(jù)大部分市場(chǎng)。

除純成本和財(cái)務(wù)因素外，技術(shù)因素也會(huì)有一些影響。更高的開(kāi)關(guān)速度和工作溫度可能非常適合GaN/SiC開(kāi)關(guān)，但是它們?nèi)匀粫?huì)為完成功率轉(zhuǎn)換信號(hào)鏈所需的周邊IC支持器件帶來(lái)問(wèn)題。隔離系統(tǒng)的一種典型信號(hào)鏈如圖1所示。雖然更高的開(kāi)關(guān)速度會(huì)對(duì)控制轉(zhuǎn)換的處理器和提供反饋回路的電流檢測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，但本文的其余部分將重點(diǎn)討論為功率開(kāi)關(guān)提供控制信號(hào)的柵極驅(qū)動(dòng)器所遇到的變化。

圖1. 典型功率轉(zhuǎn)換信號(hào)鏈

GaN/SiC柵極驅(qū)動(dòng)器

柵極驅(qū)動(dòng)器可接收系統(tǒng)控制過(guò)程產(chǎn)生的邏輯電平控制信號(hào)，并提供驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)柵極所需的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在隔離系統(tǒng)中，它們還可實(shí)現(xiàn)隔離，將系統(tǒng)帶電側(cè)的高電壓信號(hào)與在安全側(cè)的用戶和敏感低電壓電路分離。為了充分利用GaN/SiC技術(shù)能夠提供更高開(kāi)關(guān)頻率的功能，柵極驅(qū)動(dòng)器必須提高其控制信號(hào)的頻率。

當(dāng)前的基于IGBT的系統(tǒng)可能在數(shù)十kHz范圍內(nèi)切換；新出現(xiàn)的要求表明，可能需要數(shù)百kHz、甚至是一至兩MHz的開(kāi)關(guān)頻率。這會(huì)對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員產(chǎn)生困擾，因?yàn)樗麄冊(cè)噲D消除從柵極驅(qū)動(dòng)器到功率開(kāi)關(guān)之間的信號(hào)路徑中的電感。最大限度縮短走線長(zhǎng)度以避免走線電感將非常關(guān)鍵，柵極驅(qū)動(dòng)器和功率開(kāi)關(guān)的靠近布局可能會(huì)成為標(biāo)準(zhǔn)做法。GaN供應(yīng)商提供的推薦布局指南的絕大部分都強(qiáng)調(diào)了低阻抗走線和平面的重要性。此外，使用者將希望功率開(kāi)關(guān)和支持IC供應(yīng)商能夠解決封裝和金線引起的各種問(wèn)題。

SiC/GaN開(kāi)關(guān)提供的更高工作溫度范圍也對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員極具吸引力，因?yàn)檫@能夠讓他們更自由地提升性能，而不必?fù)?dān)心散熱問(wèn)題。雖然功率開(kāi)關(guān)將在更高溫度下工作，但其周?chē)墓桀?lèi)元件仍然會(huì)遇到常規(guī)的溫度限制。由于必須將驅(qū)動(dòng)器放置在開(kāi)關(guān)旁邊，希望充分利用新開(kāi)關(guān)的更高工作范圍的設(shè)計(jì)人員正面臨著一個(gè)問(wèn)題，即溫度不能超過(guò)硅類(lèi)元件溫度極限。

圖2. 典型柵極驅(qū)動(dòng)器的傳播延遲和CMTI性能

更高的開(kāi)關(guān)頻率還會(huì)產(chǎn)生共模瞬變抗擾性問(wèn)題，這對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常嚴(yán)重的問(wèn)題。在隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器中的隔離柵上耦合的高壓擺率信號(hào)可能破壞數(shù)據(jù)傳輸，導(dǎo)致輸出端出現(xiàn)不必要的信號(hào)。在傳統(tǒng)的基于IGBT的系統(tǒng)中，抗擾度介于20 kV/μs和30 kV/μs之間的柵極驅(qū)動(dòng)器足以抵抗共模干擾。但是，GaN器件往往具有超過(guò)這種限制的壓擺率，為魯棒系統(tǒng)選擇柵極驅(qū)動(dòng)器，其共模瞬變抗擾度至少應(yīng)為100 kV/μs。最近推出的產(chǎn)品，例如ADuM4135，采用了ADI公司的iCoupler?技術(shù)，提供最高達(dá)100 kV/μs的共模瞬變抗擾度，能夠應(yīng)對(duì)此類(lèi)應(yīng)用。但是，提高CMTI性能往往會(huì)產(chǎn)生額外的延遲。延遲增加意味著高端和低端開(kāi)關(guān)之間的死區(qū)時(shí)間增加，這會(huì)降低性能。在隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域尤其如此，因?yàn)樵诖祟?lèi)領(lǐng)域中，信號(hào)在隔離柵上傳輸，一般具有更長(zhǎng)時(shí)間的延遲。但是，ADuM4135不僅提供100 kV/μs CMTI，而且其傳播延遲僅為50 ns。

當(dāng)然，對(duì)于承擔(dān)推動(dòng)新型功率開(kāi)關(guān)技術(shù)向前發(fā)展這一任務(wù)的柵極驅(qū)動(dòng)器，并非完全是壞消息。典型IGBT的柵極充電電荷高達(dá)數(shù)百nC，因此，我們通常會(huì)發(fā)現(xiàn)柵極驅(qū)動(dòng)器在2 A至6 A范圍內(nèi)提供輸出驅(qū)動(dòng)能力。目前，市場(chǎng)上提供的GaN開(kāi)關(guān)的柵極充電電荷性能提升了10倍以上，通常處于5 nC至7 nC范圍內(nèi)，因此，柵極驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)要求已顯著降低。降低柵極驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)要求可使柵極驅(qū)動(dòng)器尺寸更小、速度更快，而且還能減少添加外部緩沖器以增強(qiáng)電流輸出的需求，從而能夠節(jié)約空間和成本。

結(jié)論

人們很早以前就預(yù)測(cè)到，GaN和SiC器件將成為功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中的新型解決方案，這種技術(shù)人們期待已久，現(xiàn)在終于得以實(shí)現(xiàn)。雖然這種技術(shù)能夠提供極具吸引力的優(yōu)勢(shì)，但它們并非沒(méi)有代價(jià)。為了提供出色性能，新型開(kāi)關(guān)技術(shù)需要更改所用隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的要求，并且會(huì)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來(lái)新的問(wèn)題。優(yōu)勢(shì)很明顯，并且也已經(jīng)出現(xiàn)了多種解決這些問(wèn)題的方案。而且，市場(chǎng)上已經(jīng)有現(xiàn)成且可行的GaN和SiC解決方案。