新型功率开关技术和隔离式栅极驱动器不断变化的格局 (新型功率开关技术规范)

{本文由家电维修技术小编收集整理资料}基于碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等材料的新型功率开关技术的出现促使性能大幅提升，超越了基于MOSFET和IGBT技术的传统*。更高的开关频率将减小元件尺寸，从而减小成本、*尺寸和重量；这些是汽车和能源等市场中的主要优势。新型功率开关还将促使其控制元件发生变化，其中包括栅极驱动器。本文将探讨GaN和SiC开关与IGBT/MOSFET的一些主要差异，以及栅极驱动器将如何为这些差异提供支持。多年来，功率输出*的功率开关技术选择一直非常简单。在低电压水平(通常为V以下)，通常会选择MOSFET；在高电压水平，通常会更多地选择IGBT。随着氮化镓和碳化硅形式的新型功率开关技术的出现，这种情况正面临威胁。这些新型开关技术在性能方*有多项明显优势。更高的开关频率可减小*尺寸和重量，这对太阳能面板等能源应用中使用的光伏逆变器以及汽车等目标市场非常重要。开关速度从kHz提高至kHz可大幅减小变压器重量，从而使电动汽车的电机更轻，而且还能扩大太阳能应用中所用的逆变器的范围，减小其尺寸，从而使其更适合国内应用。另外，更高的工作温度(尤其是GaN器件)和更低的开启驱动要求还可简化*架构师的设计工作。与MOSFET/IGBT一样，这些新技术(至少在初始阶段)看起来能够满足不同的应用需求。直到最近，GaN产品通常还处于V范围内，尽管近年来这些产品已经飞速发展，并且出现了多种V范围内的产品。但这仍然远不及SiC的主要范围(接近V)，这表明，GaN已自然而然地取代了MOSFET器件，而SiC则取代了IGBT器件。既然超结MOSFET能够跨越此鸿沟并实现最高达V的高电压应用，一些GaN研发开始提供能够应对电压在V以上的应用的器件，这完全不足为奇。然而，虽然这些优势使得GaN和SiC功率开关对设计人员极具吸引力，但这种好处并非毫无代价。最主要的代价是成本提高，这种器件的*比同等MOSFET/IGBT产品高出好几倍。IGBT和MOSFET生产是一种发展良好且极易掌握的过程，这意味着与其新对手相比，其成本更低、*竞争力更高。目前，与其传统对手相比，SiC和GaN器件的*仍然高出数倍，但其*竞争力正在不断提高。许多专家和市场调查报告已经表明，必须在广泛应用前大幅缩小*差距。即使缩小了*差距，新型功率开关也不太可能立即实现大规模应用，甚至从长期预测来看，传统开关技术也仍将在未来一段时间内继续占据大部分市场。除纯成本和财务因素外，技术因素也会有一些影响。更高的开关速度和工作温度可能非常适合GaN/SiC开关，但是它们仍然会为完成功率转换信号链所需的周边IC支持器件带来问题。隔离*的一种典型信号链如图1所示。虽然更高的开关速度会对控制转换的处理器和提供反馈回路的电流检测*产生影响，但本文的其余部分将重点讨论为功率开关提供控制信号的栅极驱动器所遇到的变化。

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图1.典型功率转换信号链GaN/SiC栅极驱动器栅极驱动器可接收*控制过程产生的逻辑电平控制信号，并提供驱动功率开关栅极所需的驱动信号。在隔离*中，它们还可实现隔离，将*带电侧的高电压信号与在安全侧的用户和敏感低电压电路分离。为了充分利用GaN/SiC技术能够提供更高开关频率的功能，栅极驱动器必须提高其控制信号的频率。当前的基于IGBT的*可能在数十kHz范围内切换；新出现的要求表明，可能需要数百kHz、甚至是一至两MHz的开关频率。这会对*设计人员产生困扰，因为他们试图消除从栅极驱动器到功率开关之间的信号路径中的电感。最大限度缩短走线长度以避免走线电感将非常关键，栅极驱动器和功率开关的靠近布局可能会成为标准做法。GaN供应商提供的推荐布局指南的绝大部分都强调了低阻抗走线和平面的重要性。此外，使用者将希望功率开关和支持IC供应商能够解决封装和金线引起的各种问题。SiC/GaN开关提供的更高工作温度范围也对*设计人员极具吸引力，因为这能够让他们更*地提升性能，而不必担心散热问题。虽然功率开关将在更高温度下工作，但其周围的硅类元件仍然会遇到常规的温度*。由于必须将驱动器放置在开关旁边，希望充分利用新开关的更高工作范围的设计人员正面临着一个问题，即温度不能超过硅类元件温度极限。

图2.典型栅极驱动器的传播延迟和CMTI性能更高的开关频率还会产生共模瞬变抗扰性问题，这对*设计人员来说是一个非常严重的问题。在隔离式栅极驱动器中的隔离栅上耦合的高压摆率信号可能*数据传输，导致输出端出现不必要的信号。在传统的基于IGBT的*中，抗扰度介于kV/μs和kV/μs之间的栅极驱动器足以抵抗共模干扰。但是，GaN器件往往具有超过这种*的压摆率，为鲁棒*选择栅极驱动器，其共模瞬变抗扰度至少应为kV/μs。最近推出的产品，例如ADuM采用了ADI公司的iCoupler®技术，提供最高达kV/μs的共模瞬变抗扰度，能够应对此类应用。但是，提高CMTI性能往往会产生额外的延迟。延迟增加意味着高端和低端开关之间的死区时间增加，这会降低性能。在隔离式栅极驱动器领域尤其如此，因为在此类领域中，信号在隔离栅上传输，一般具有更长时间的延迟。但是，ADuM不仅提供kV/μsCMTI，而且其传播延迟仅为ns。当然，对于承担推动新型功率开关技术向前发展这一任务的栅极驱动器，并非完全是坏消息。典型IGBT的栅极充电电荷高达数百nC，因此，我们通常会发现栅极驱动器在2A至6A范围内提供输出驱动能力。目前，市场上提供的GaN开关的栅极充电电荷性能提升了倍以上，通常处于5nC至7nC范围内，因此，栅极驱动器的驱动要求已显著降低。降低栅极驱动器的驱动要求可使栅极驱动器尺寸更小、速度更快，而且还能减少添加外部缓冲器以增强电流输出的需求，从而能够节约空间和成本。结论人们很早以前就预测到，GaN和SiC器件将成为功率转换应用中的新型解决方案，这种技术人们期待已久，现在终于得以实现。虽然这种技术能够提供极具吸引力的优势，但它们并非没有代价。为了提供出色性能，新型开关技术需要更改所用隔离式栅极驱动器的要求，并且会为*设计人员带来新的问题。优势很明显，并且也已经出现了多种解决这些问题的方案。而且，市场上已经有现成且可行的GaN和SiC解决方案。推荐阅读：在太阳能逆变器中利用iCoupler数字隔离器进行设计消除影响JESDB链路传输的因素具备负载断开功能的同步升压转换器SGMA利用模拟开关实现自激振荡器的脉冲转换模拟电源和数字电源要采购开关么，点这里了解一下*!上一篇：在太阳能逆变器中利用iCoupler数字隔离器进行设计下一篇：单节锂电3.7V单声道音频功放IC解决方案特别推荐MP：电表PMIC界新来的“五好学生”氮化镓器件在D类音频功放中的应用及优势如何通过使用外部电路扩展低边电流检测并提高DRV的检测精度SiCMOSFET的设计挑战——如何平衡性能与可靠性集成式光学*如何满足床旁检测仪器的未来需求技术文章更多>>“解剖”便携式医疗设备，看看里面都有啥？如何满足各种环境下汽车USB充电端口要求？电感饱和与开关电源之间的密切关系，这篇文章讲透了！（下）使用UWB技术的卓越汽车中科融合刘欣：从MEMS微振镜芯片入手，全栈式解决3D机器视觉挑战

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